【步步高】（新课标）高考物理大一轮复习 第三章 实验四 探究加速度与力 质量的关系（含解析）(1).docVIP

实验四探究加速度与力、质量的关系考纲解读 1.学会用控制变量法研究物理规律.2.学会灵活运用图象法处理物理问题的方法.3.探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律基本实验要求规律方法总结1实验原理(见实验原理图)(1)保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系(2)保持合外力不变，探究加速度与质量的关系(3)作出af图象和a图象，确定其关系2实验器材小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、天平、米尺3实验步骤(1)测量：用天平测量小盘和砝码的质量m和小车的质量m.(2)安装：按照如实验原理图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)(3)平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，使小车能匀速下滑(4)操作：小盘通过细绳绕过滑轮系于小车上，先通电源后放开小车，取下纸带编号码保持小车的质量m不变，改变砝码和小盘的质量m，重复步骤.在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.描点作图，作af的图象保持砝码和小盘的质量m不变，改变小车质量m，重复步骤和，作a图象1注意事项(1)平衡摩擦力：适当垫高木板的右端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，让小车拉着打点的纸带匀速运动(2)不重复平衡摩擦力(3)实验条件：mm.(4)一先一后一按：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后释放小车，且应在小车到达滑轮前按住小车2误差分析(1)因实验原理不完善引起的误差：本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力(2)摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差3数据处理(1)利用xat2及逐差法求a.(2)以a为纵坐标，f为横坐标，根据各组数据描点，如果这些点在一条过原点的直线上，说明a与f成正比(3)以a为纵坐标，为横坐标，描点、连线，如果该线过原点，就能判定a与m成反比考点一对实验原理与注意事项的考查例1(2013全国新课标22)图1为测量物块与水平桌面之间动摩擦因数的实验装置示意图实验步骤如下：图1用天平测量物块和遮光片的总质量m，重物的质量m，用游标卡尺测量遮光片的宽度d，用米尺测量两光电门之间的距离s；调整轻滑轮，使细线水平；让物块从光电门a的左侧由静止释放，用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门a和光电门b所用的时间ta和tb，求出加速度a；多次重复步骤，求a的平均值；根据上述实验数据求出动摩擦因数.回答下列问题：图2(1) 测量d时，某次游标卡尺(主尺的最小分度为1 mm)的示数如图2所示其读数为_ cm.(2)物块的加速度a可用d、s、ta和tb表示为a_.(3)动摩擦因数可用m、m、和重力加速度g表示为_.(4)如果细线没有调整到水平，由此引起的误差属于_(填“偶然误差”或“系统误差”)解析(1)0.9 cm120.05 mm0.960 cm(2)因为va，vb，又由2asvv，得a()2()2(3)设细线上的拉力为ft，则mgftm，ftmgm两式联立得(4)细线没有调整到水平，属于实验方法粗略，这样会引起系统误差答案见解析考点二对实验步骤和数据处理的考查例2某实验小组应用如图3所示装置“探究加速度与物体受力的关系”，已知小车的质量为m，砝码及砝码盘的总质量为m，所使用的打点计时器所接的交流电的频率为50 hz.实验步骤如下：a按图所示安装好实验装置，其中与定滑轮及弹簧测力计相连的细线竖直；b调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下匀速运动；c挂上砝码盘，接通电源后，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求出小车的加速度；d改变砝码盘中砝码的质量，重复步骤c，求得小车在不同合力作用下的加速度图3根据以上实验过程，回答以下问题：(1)对于上述实验，下列说法正确的是_a小车的加速度与砝码盘的加速度大小相等b实验过程中砝码盘处于超重状态c与小车相连的轻绳与长木板一定要平行d弹簧测力计的读数应为砝码和砝码盘总重力的一半e砝码和砝码盘的总质量应远小于小车的质量(2)实验中打出的一条纸带如图4所示，由该纸带可求得小车的加速度为_ m/s2.(结果保留2位有效数字)图4(3)由本实验得到的数据作出小车的加速度a与弹簧测力计的示数f的关系图象，与本实验相符合的是_答案(1)c(2)0.16(3)a创新实验设计例3某实验小组在“探究加速度与物体受力的关系”实验中，设计出如下的实验方案，其实验装置如图5所示已知小车质量m214.6 g，砝码盘质量m07.8 g，所使用的打点计时器交流电频率f50 hz.其实验步骤是：图5a按图中所示安装好实验装置；b调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动；c取下细绳和砝码盘，记下砝码盘中砝码的质量m；d将小车置于打点计时器旁，先接通电源，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度a；e重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码的质量，重复bd步骤，求得小车在不同合外力f作用下的加速度回答下列问题：(1)按上述方案做实验，是否要求砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量？_(填“是”或“否”)(2)实验中打出的其中一条纸带如图6所示，由该纸带可求得小车的加速度a_ m/s2.图6(3)某同学将有关测量数据填入他所设计的表格中，如下表，次数12345砝码盘中砝码的重力f/n0.100.200.290.390.49小车的加速度a/(ms2)0.881.441.842.382.89他根据表中的数据画出af图象(如图7)造成图线不过坐标原点的一条最主要原因是_，从该图线延长线与横轴的交点可求出的物理量是_，其大小为_图7答案(1)否(2)0.88(3)在计算小车所受的合外力时未计入砝码盘的重力(只要涉及“未考虑砝码质量的因素”就算正确)砝码盘的重力0.08 n解析(1)取下砝码盘后，小车加速运动时所受的合外力即为砝码和砝码盘的总重力，而实验中的研究对象是小车，因此，实验中不必使砝码及砝码盘的质量远小于小车的质量(2)a102 m/s20.88 m/s2.(3)实验中本应有(m0m)gma，由于实验中未计入砝码盘质量m0，测得的图象与真实图象相比沿f轴左移m0g，图象将不过原点由图象及上述分析可知，m0g0.08 n.14.物理实验思想方法之近似法、控制变量法、平衡摩擦力法和化曲为直法1近似法：在探究加速度与力、质量的关系实验中，近似法是指绳对小车的拉力近似等于绳另一端连接的小盘和砝码的总重力，近似法要在小盘和砝码的总重力远小于小车的重力的情况下才能用2控制变量法：控制变量法是指分别研究加速度与力、加速度与质量关系时用到的方法，在实验中的具体体现是：研究加速度与力的关系时，保持小车质量不变；研究加速度与质量的关系时，保持小盘和砝码的总重力不变3平衡摩擦力法：平衡摩擦力法是指通过调整斜面倾角，让小车重力沿斜面的分力与摩擦力抵消，使小车受到的合外力等于绳对小车的拉力，体现在实验中是让小车不挂小盘时能在斜面上匀速运动4化曲为直法：化曲为直法是指处理数据时，不作am图象而作a图象，反映在图象中就是把原来的曲线变成倾斜的直线例4某实验小组欲以图8所示实验装置“探究加速度与物体受力和质量的关系”图中a为小车，b为装有砝码的小盘，c为一端带有定滑轮的长木板，小车通过纸带与电磁打点计时器相连，小车的质量为m1，小盘(及砝码)的质量为m2.图8(1)下列说法正确的是()a实验时先放开小车，再接通打点计时器的电源b每次改变小车质量时，应重新平衡摩擦力c本实验中应满足m2远小于m1的条件d在用图象探究小车加速度与受力的关系时，应作am1图象(2)实验中，得到一条打点的纸带，如图9所示，已知相邻计数点间的时间间隔为t，且间距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出，则打点计时器打下f点时小车的瞬时速度的计算式为vf_，小车加速度的计算式a_.图9(3)某同学平衡好摩擦阻力后，在保持小车质量不变的情况下，通过多次改变砝码重力，作出小车加速度a与砝码重力f的图象如图10所示若牛顿第二定律成立，重力加速度g10 m/s2，则小车的质量为_kg，小盘的质量为_kg.图10(4)实际上，在砝码的重力越来越大时，小车的加速度不能无限制地增大，将趋近于某一极限值，此极限值为_m/s2.解析(1)实验时应先接通电源，再放开小车，a项错；每次改变小车质量时，没必要重新平衡摩擦力，b项错；实验要求m2m1，c项对；d项中应作am2或af图象，d错(2)vfv，由逐差法知a.(3)由题图中的af图线可知：a0.3，即图线的斜率k，可求解得m2.0 kg.当f0时，a0.3 m/s2，此时a，所以m00.06 kg.(4)当砝码重力越来越大时，a，即m无限大时，a趋向于g.答案(1)c(2)(3)2.00.06(4)101用如图11所示装置探究影响加速度的因素，提供的器材有长木板、铁架台、米尺、计时仪器、小车(可视为质点)、砝码等，进行以下探究活动：图11(1)探究加速度与质量的关系测量木板长度l，将木板一端放在铁架台的支架上让小车从静止开始由顶端滑到底端，测出下滑时间t，则小车运动的加速度可表示为a_.保持木板倾角不变，向小车内加入砝码，再使其从静止开始由顶端滑到底端，测出下滑时间t.在实验误差允许范围内小车两次下滑的加速度a与a的关系为a_a(填“”、“”或“”)据此能否得出加速度与质量的关系？_(填“能”或“不能”)(2)探究加速度与合外力的关系若不计摩擦，小车质量为m，木板长度为l，木板两端高度差为h，重力加速度为g，则小车沿木板下滑受到的合外力为f_.改变木板倾角，测出每次木板两端的高度差h和小车下滑的时间t.为了寻求a与f的关系，可以作出与变量h、t相关的图象，当两坐标轴的物理量分别为_和_时，得到的图象才是直线答案(1)不能(2)mgh(或“t2”)2“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图12所示图12(1)在平衡摩擦力后，挂上砝码盘，打出了一条纸带如图13所示计时器打点的时间间隔为0.02 s从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，量出相邻计数点之间的距离(图中已标出)，该小车的加速度a_ m/s2.(结果保留两位有效数字)图13(2)平衡摩擦力后，将5个相同的砝码都放在小车上挂上砝码盘，然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中，测量小车的加速度小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力f的实验数据如下表：砝码盘中砝码总重力f(n)00.1960.3920.5880.7840.980加速度a(ms2)0.210.691.181.662.182.70某同学根据上面表格中的实验数据在坐标纸上作出af的关系图象，发现图线不通过坐标原点，请说明主要原因是什么？答案(1)0.17 m/s2(2)未计入砝码盘的重力3如图14为“用dis(位移传感器、数据采集器、计算机)研究加速度和力的关系”的实验装置图14(1)在该实验中必须采用控制变量法，应保持_不变，用钩码所受的重力作为_，用dis测小车的加速度(2)改变所挂钩码的数量，多次重复测量，在某次实验中根据测得的多组数据可画出af关系图线(如图15所示)图15分析此图线的oa段可得出的实验结论是_此图线的ab段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是_a小车与轨道之间存在摩擦b导轨保持了水平状态c所挂钩码的总质量太大d所用小车的质量太大答案(1)小车的总质量小车所受的外力(2)在质量不变的情况下，加速度与外力成正比c解析(1)因为要探究“加速度和力的关系”，所以应保持小车的总质量不变，钩码所受的重力作为小车所受的外力(2)由于oa段af关系图线为一倾斜的直线，所以在质量不变的条件下，加速度与外力成正比；由实验原理：mgma得：a，而实际上a，可见ab段明显偏离直线是没有满足mm造成的4某课外实验小组设计了多种方案来测量滑块与斜面、水平面间的动摩擦因数(滑块与斜面、水平面间的动摩擦因数相等)，其中一种方案所用的测量工具只使用了刻度尺，该方案的做法如下：图16(1)让滑块从如图16所示的斜面上的a点由静止滑下，当滑块在水平面上滑行一段距离后停在c点(2)此时需要测量的物理量有：_.(所填物理量应用字母符号表示并说明字母符号的物理意义)(3)的表达式为：_.(用(2)中字母符号表示)(4)为了使测量尽可能精确，应改变_进行多次测量，求的平均值(5)考虑滑块滑至斜面底端b时，因与水平面碰撞仅保留了水平分速度而进入水平轨道，则所测得的_.(填“偏大”、“偏小”或“不变”)答案(2)滑块a在斜面上的位置与c点的竖直高度h和水平距离s(3)h/s(4)a在斜面上的位置(或h的大小)(5)偏大5(2011课标23)利用图17所示的装置可测量滑块在斜面上运动的加速度一斜面上安装有两个光电门，其中光电门乙固定在斜面上靠近底端处，光电门甲的位置可移动当一带有遮光片的滑块自斜面上滑下时，与两个光电门都相连的计时器可以显示出遮光片从光电门甲滑至乙所用的时间t.改变光电门甲的位置进行多次测量，每次都使滑块从同一点由静止开始下滑，并用米尺测量甲、乙之间的距离s，记下相应的t值；所得数据如下表所示图17s(m)0.5000.6000.7000.8000.9000.950t(ms)292.9371.5452.3552.8673.8776.4s/t(ms1)1.711.621.551.451.341.22完成下列填空和作图：(1)若滑块所受摩擦力为一常量，滑块加速度的大小a、滑块经过光电门乙时的瞬时速度vt、测量值s和t四个物理量之间所满足的关系式是_；(2)根据表中给出的数据，在图18给出的坐标纸上画出t图线；图18(3)由所画出的t图线，得出滑块加速度的大小为a_m/s2(保留2位有效数字)答案(1)svttat2或vtat(2)见解析图(3)2.0解析可认为滑块从乙到甲做匀减速直线运动，根据运动学公式有svttat2，得vtat，根据所给数据描点并连线如图所示，图线的斜率为a，根据图象得a1.0，则a2.0 m/s2(注意保留2位有效数字)6用如图19所示的实验装置