（浙江选考）2021版新高考物理一轮复习4实验微讲座13实验三探究加速度与力、质量的关系教学案.docx

实验三探究加速度与力、质量的关系一、实验目的1学会用控制变量法研究物理规律2探究加速度与力、质量的关系3灵活掌握运用图象处理问题的方法二、实验原理控制变量法：在所研究的问题中，有两个以上的参量在发生牵连变化时，可以控制某个或某些量不变，只研究其中两个量之间的变化关系的方法，这也是物理学中研究问题时经常采用的方法本实验中，研究的参量为F、m和a，可以控制参量m一定，研究a与F的关系，也可控制参量F一定，研究a与m的关系三、实验器材电磁打点计时器、复写纸片和纸带、一端有定滑轮的长木板、小车、小盘、低压交流电源、天平、砝码、刻度尺、导线四、实验步骤1用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0.2把一端附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把打点计时器固定在长木板上远离滑轮的一端，连接好电路3平衡摩擦力：小车的尾部挂上纸带，纸带穿过打点计时器的限位孔，将木板无滑轮的一端稍微垫高一些，使小车在不挂小盘和砝码的情况下，能沿木板做匀速直线运动这样小车所受重力沿木板的分力与小车所受摩擦力平衡在保证小盘和砝码的质量远小于小车质量的条件下，可以近似认为小盘和砝码的总重力大小等于小车所受的合外力的大小4把小车停在打点计时器处，挂上小盘和砝码，先接通电源，再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑，打出一条纸带5改变小盘内砝码的个数，重复步骤4，并多做几次6保持小盘内的砝码个数不变，在小车上放上砝码改变小车的质量，让小车在木板上滑动打出纸带7改变小车上砝码的个数，重复步骤6.五、数据处理1保持小车质量不变时，计算各次小盘和砝码的重力(作为小车的合力)及对应纸带的加速度填入表(一)中表(一)实验次数加速度a/(ms2)小车受力F/N12342.保持小盘内的砝码个数不变时，计算各次小车和砝码的总质量及对应纸带的加速度，填入表(二)中表(二)实验次数加速度a/(ms2)小车和砝码的总质量M/kg12343.需要记录各组对应的加速度a与小车所受牵引力F，然后建立直角坐标系，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F，描点画aF图象，如果图象是一条过原点的直线，便证明加速度与作用力成正比再记录各组对应的加速度a与小车和砝码总质量M，然后建立直角坐标系，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示总质量的倒数，描点画a图象，如果图象是一条过原点的直线，就证明了加速度与质量成反比六、注意事项1平衡摩擦力时，调节长木板形成一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着纸带运动2每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量远大于小盘及盘内砝码总质量的条件下打出只有如此，小盘及盘内砝码重力才可视为小车受到的拉力3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，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车4作图象时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧5作图时两轴标度比例要选择适当各量须采用国际单位这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些七、误差分析1系统误差：以小车、小盘和砝码整体为研究对象得mg(Mm)a；以小车为研究对象得FMa；求得Fmgmgmg.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小盘和砝码的总质量越接近于小车的质量，误差越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，由此引起的误差就越小因此，满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量的目的就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差2偶然误差：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对实验原理和操作的考查【典题例析】(20201月浙江选考)(7分)在“探究加速度与力、质量的关系”和用橡皮筋“探究做功与物体速度变化的关系”实验中(1)都是通过分析纸带上的点来测量物理量，下列说法正确的是_(多选)A都需要分析打点计时器打下的第一个点B都不需要分析打点计时器打下的第一个点C一条纸带都只能获得一组数据D一条纸带都能获得多组数据(2)如图是两条纸带的一部分，A、B、C、G是纸带上标出的计数点，每两个相邻的计数点之间还有4个打出的点未画出其中图_(填“甲”或“乙”)所示的是用橡皮筋“探究做功与物体速度变化的关系”的实验纸带“探究加速度与力、质量的关系”实验中，小车的加速度大小a_m/s2(保留2位有效数字)(3)在用橡皮筋“探究做功与物体速度变化的关系”实验中，平衡阻力后，小车与橡皮筋组成的系统在橡皮筋恢复形变前机械能_(填“守恒”或“不守恒”)答案：(1)BC(2)甲0.40(3)不守恒(2020浙江91联盟考试)(1)我们已经知道，物体的加速度a同时跟合外力F和质量M两个因素有关研究这三个物理量之间的定量关系的思想方法是_(2)某同学的实验方案如图所示，她想用砂桶的重力表示小车受到的合外力F，为了减小这种做法带来的实验误差，她先做了两方面的调整措施：用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是_.使砂桶的质量远小于小车的质量，目的是使拉小车的力近似等于_(3)该同学利用实验中打出的纸带求加速度时，处理方案有两种：A利用公式a计算；B根据a利用逐差法计算两种方案中，你认为选择方案_比较合理解析：(1)研究这三个物理量之间的定量关系的思想方法是控制变量法(2)想用砂桶的重力表示小车受到的合外力F，为了减小这种做法带来的实验误差，应使砂桶的质量远小于小车的质量，目的是使拉小车的力近似等于砂桶的重力；还要用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是平衡摩擦力(3)利用实验中打出的纸带求加速度时，需要根据a利用逐差法计算，选项B正确答案：(1)控制变量法(2)平衡摩擦力砂桶的重力(3)B对实验数据处理与误差分析的考查【典题例析】在“用DIS研究小车加速度与所受合外力的关系”的实验中，甲、乙两组同学分别用如图甲、乙所示的实验装置进行实验，重物通过跨过滑轮的细线拉相同质量的小车，位移传感器B随小车一起沿轨道运动，位移传感器A固定在轨道一端甲组同学在实验中把重物的重力作为拉力F，乙组同学直接用力传感器(质量不计)测得拉力F.改变重物的重力重复实验多次，记录多组数据，并画出aF图象(1)位移传感器B属于_(选填“发射器”或“接收器”)(2)甲组同学在实验中把重物的重力作为拉力F，应满足的条件是_(3)图丙中符合甲组同学作出的实验图象的是_，符合乙组同学作出的实验图象的是_解析(1)位移传感器B属于发射器(2)在该实验中，若设小车与位移传感器B的总质量为M，重物的质量为m，对小车、位移传感器B和重物整体由牛顿第二定律有mg(Mm)a，对小车与位移传感器B有FMa，联立解得Fmg，可见，只有当mM，即重物的质量远小于小车与位移传感器B的总质量时，才有Fmg.(3)在质量不变的条件下，加速度与合外力成正比，乙组中力传感器所测得的拉力为小车所受的合外力，故此时的aF图象为过原点的一条倾斜直线，符合的有和.由第(2)问所得的结果Fmg可知，小车所受的实际拉力大小Fmg，也就是说，在小车具有相同加速度时，甲组实验的“合外力”大于乙组实验的“合外力”，又因为两组实验小车的质量相同，故图丙中符合乙组同学作出的实验图象的是，符合甲组同学作出的实验图象的是.答案(1)发射器(2)重物的质量远小于小车与位移传感器B的总质量(3)某同学利用如图所示的装置进行“探究加速度与物体质量的关系”的实验A为小车，B为打点计时器，C为装有砝码的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板实验时，保证砝码和小桶的总质量m不变，改变小车质量M，分别测得小车的加速度a与对应的质量M的数据如下表：次数123456小车加速度a(ms2)1.350.900.7250.600.500.30小车质量M(kg)0.4000.6250.8001.0001.2502.500小车质量的倒数(kg1)2.501.601.251.000.800.40(1)根据上表数据，为进一步直观地反映F不变时，a与M的关系，在下图中选择适当的物理量为坐标轴建立坐标系，作出图线(2)根据所绘的图线，计算砝码和小桶的总重力为_ N，且表明该同学在实验操作中最可能存在的问题：_.解析：(1)为画线性关系，纵轴表示加速度a，横轴表示质量的倒数；(2)图象的斜率表示小车所受的合外力，即砝码和小桶的总重力，求出G0.5 N；作出的图线与纵轴有截距，说明平衡摩擦力过度答案：(1)图线如图所示(2)0.5平衡摩擦力过度 随堂检测1(201711月浙江选考)在做“探究加速度与力、质量的关系”实验中，(1)下列仪器需要用到的是_(多选)；(2)下列说法正确的是_(多选)；A先释放纸带再接通电源B拉小车的细线应尽可能与长木板平行C纸带与小车相连端的点迹较疏D轻推小车，拖着纸带的小车能够匀速下滑说明摩擦力已被平衡(3)如图所示是实验时打出的一条纸带，A、B、C、D为每隔4个点取的计数点，据此纸带可知小车在D点的速度大小为_m/s(小数点后保留两位)答案：(1)AD(2)BD(3)0.210.012(201811月浙江选考)在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，两个相同的小车放在光滑水平板上，前端各系一条细绳，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘中可放重物小车的停和动通过用黑板擦按住小车后的细线和抬起来控制，如图甲所示实验要求小盘和重物所受的重力近似等于使小车做匀加速直线运动的力(1)请指出图乙中错误之处：_.(2)调整好实验装置后，在某次实验中测得两小车的位移分别是x1和x2，则两车的加速度之比为_解析：(1)细绳拉力方向应与桌面平行，以保证小车受到恒力的作用，从而加速度恒定，如果不平行，则随着小车的运动，小车水平方向的拉力会发生变化，同时根据题意“小盘和重物所受的重力近似等于使小车做匀加速直线运动的力”可知，只有当托盘和砝码的质量远小于小车质量时，才可以把小车受到的拉力认为近似等于托盘和砝码的重力；(2)根据xat2可知，两车同时释放，同时静止，加速度之比等于位移之比答案：(1)拉小车的细绳与木板没有平行，托盘和砝码的总质量没有远小于小车的质量(2)x1x23(2020东阳中学月考)在探究加速度与力、质量关系的实验中，采用如图甲所示的装置(1)实验过程中，电火花计时器应接在_(选填“直流”或“交流”)电源上(2)某小组在探究“质量一定时，加速度与合力成正比”的实验中，测出多组数据，作出了如图乙所示的图象，已知实验过程中细线与木板始终保持平行，则图线没有过坐标原点的原因可能是_，图线上部弯曲的原因可能是_.(3)如图丙为实验中打出的一条纸带的一部分，0、1、2、3、4、5、6为依次选取的7个计数点，相邻两计数点间还有4个打点未画出，已知电源频率为50 Hz.从纸带上测出x13.20 cm，x24.52 cm，x58.42 cm，x69.70 cm.则木块加速度的大小a_m/s2，计数点2的瞬时速度大小为v_m/s.(结果均保留两位有效数字)解析：(1)电火花计时器是利用接正极的放电针和墨粉纸盘到接负极的纸盘轴，产生火花放电，于是在纸带上打出一系列的点，而且在交流电的每个周期放电一次，因此电火花打点计时器打出点间的时间间隔等于交流电的周期(2)图线与横轴的交点不为零，意味着当绳子的拉力不为0时，物体的加速度仍然为零，合外力仍然为0，即物体仍然受到木板的摩擦力，所以实验者可能是忘记平衡摩擦力，也可能是已平衡了摩擦力，但平衡摩擦力不足；以整体为研究对象有mg(mM)a，则有a，而在实验的过程中，我们认为绳子的拉力F等于砝码盘和砝码的重力mg，而实际上绳子的拉力FMa，故要让绳子的拉力F约等于砝码盘和砝码的重力mg，那么MMm，故应该是mM，而当m不再远远小于M时a，随m的增大物体的加速度逐渐减小且无限趋近于g，故图线上部弯曲的原因可能是未满足砝码盘和砝码的总质量远小于木块的质量(3)由于相邻两计数点间还有4个打点未画出，故相邻两计数点间的时间间隔为T50.02 s0.1 s，应该利用逐差法求物体的加速度：(x5x6)(x1x2)8aT2，解得物体的加速度a1.3 m/s2，根据v10.39 m/s，由v2v1aT0.52 m/s.答案：(1)交流(2)没有平衡摩擦或平衡摩擦力不够砝码盘和砝码的总质量没有满足远小于小车的质量(3)1.30.524(2020湖州质检)在用DIS研究小车加速度与外力的关系时，某实验小组采用如图甲所示的实验装置重物通过滑轮用细线拉小车，位移传感器(发射器)随小车一起沿倾斜轨道运动，位移传感器(接收器)固定在轨道一端实验中把重物的重力作为拉力F，改变重物重力重复实验四次，列表记录四组数据a/ms22.012.984.026.00F/N1.002.003.005.00(1)实验中使用位移传感器和计算机，可以便捷地获取信息和处理信息，所获取的信息是_.(2)在如图坐标纸上作出小车加速度a和拉力F的关系图线(3)从所得图线分析该实验小组在操作过程中的不当之处是_.(4)如果实验时，在小车和重物之间接一个不计质量的微型力传感器，如图乙所示并以力传感器示数表示拉力F，从理论上分析，该实验图线的斜率将_(填“变大”“变小”或“不变”)解析：作出图线是一条直线，但没有通过坐标原点，有纵截距，说明不挂重物时就有加速度，这说明轨道倾角过大，小车的重力沿轨道的分力大于小车受到的摩擦力，平衡摩擦力时，木板的倾角过大，如果接上力传感器，其示数将小于重物的重力，同样的加速度，对应的横坐标变小，从而图线斜率要变大答案：(1)在连续相等时间内的小车位移(2)如解析图所示(3)截距过大，平衡摩擦力时，木板的倾角过大(4)变大5(2020南通中学高三模拟)某同学利用如图装置探究加速度与合外力的关系利用力传感器测量细线上的拉力按照如下步骤操作：安装好打点计时器和纸带，调整导轨的倾斜程度，平衡小车摩擦力；细线通过导轨一端光滑的定滑轮和动滑轮，与力传感器相连，动滑轮上挂上一定质量的钩码，将小车拉到靠近打点计时器的一端；打开力传感器并接通打点计时器的电源(频率为50 Hz的交流电源)；释放小车，使小车在轨道上做匀加速直线运动；关闭传感器，记录下力传感器的示数F；通过分析纸带得到小车加速度a；改变钩码的质量，重复步骤；作出aF图象，得到实验结论(1)某学校使用的是电磁打点计时器，在释放小车前，老师拍下了几个同学实验装置的部分细节图，下列图中操作不正确的是_(2)本实验在操作中是否要满足钩码的质量远远小于小车的质量？_(填写“需要”或“不需要”)；某次释放小车后，力传感器示数为F，通过天平测得小车的质量为M，动滑轮和钩码的总质量为m，不计滑轮的摩擦，则小车的加速度理论上应等于_AaBaCa Da(3)下图是某次实验测得的纸带的一段，可以判断纸带的_(填“左”或“右”)端与小车连接，在打点计时器打下计数点6时，小车的瞬时速度大小为_m/s(保留两位有效数字)解析：(1)在释放小车前，纸带应该放在复写纸下方并保持纸带处于拉直状态，否则纸带与限位孔的摩擦力较大，误差更大，故A、B错误；在释放小车前，应使细线与长木板平行，故C错误；电磁打点计时器应使用46 V交流电源，故D正确(2)本实验利用力传感器测量细线上的拉力，不需要用钩码的重力代替，所以不需要满足钩码的质量远远小于小车的质量，根据牛顿第二定律得：a，故B正确(3)纸带右侧两点间的距离越来越大，故左端与小车相连，计数点6的瞬时速度为计数点5到计数点7的平均速度，故v m/s0.75 m/s.答案：(1)ABC(2)不需要B(3)左0.75 课后达标1某同学用如图甲所示的实验装置“探究小车速度随时间变化的规律”：(1)实验时，使小车靠近打点计时器，先_再_(选填“接通电源”或“放开小车”)(2)若所接电源的频率是50 Hz，则每隔_s打一个点(3)图乙是绘出的小车速度时间关系图线，根据图线求出小车的加速度为a_m/s2.(保留三位有效数字)解析：(1)实验时，使小车靠近打点计时器，先接通电源再放开小车(2)若所接电源的频率是50 Hz，则每隔0.02 s打一个点(3)在vt图象中图线的斜率表示加速度，即a0.682 m/s2.答案：(1)接通电源放开小车(2)0.02(3)0.6822.在“探究求合力的方法”实验中，某同学用图钉把白纸固定在水平放置的木板上，将橡皮条的一端固定在板上一点，两个细绳套系在橡皮条的另一端用两个弹簧测力计分别拉住两个细绳套，互成角度地施加拉力，使橡皮条伸长，结点到达纸面上某一位置，如图所示请将以下的实验操作和处理补充完整：(1)用铅笔描下结点位置，记为O；(2)记录两个弹簧测力计的示数F1和F2，沿每条细绳(套)的方向用铅笔分别描出几个点，用刻度尺把相应的点连成线；(3)只用一个弹簧测力计，通过细绳套把橡皮条的结点仍拉到位置O，记录测力计的示数F3，_；(4)按照力的图示要求，作出拉力F1、F2、F3；(5)根据力的平行四边形定则作出F1和F2的合力F；(6)比较_的一致程度，若有较大差异，对其原因进行分析，并做出相应的改进后再次进行实验解析：(3)此步骤中应记录此时拉力的大小和方向，结合(2)的操作，(3)中横线应填写：沿此时细绳(套)的方向用铅笔描出几个点，用刻度尺把这些点连成直线(6)要探究求合力的方法，需要比较F与F3的大小，方向是否一致，故(6)中横线应填写F和F3.答案：(3)沿此时细绳(套)的方向用铅笔描出几个点，用刻度尺把这些点连成直线(6)F和F33(1)在“探究求合力的方法”实验中，我们需要对使用的两只弹簧测力计进行校对，看两只弹簧测力计是否完全相同，校对的方法是_(填正确答案标号)A看两只弹簧测力计的外形是否一样，是否由同一厂家生产B把两只弹簧测力计的钩子互钩着水平地拉动，看两者示数是否完全相同C把两只弹簧测力计的钩子互钩着一上一下竖直地拉动，看两者示数是否完全相同D把两只弹簧测力计的钩子互钩着，任意地拉动，看两者示数是否完全相同(2)在“探究求合力的方法”实验中，下列做法有利于减小误差的是_(填正确答案标号)AF1、F2两个力的夹角尽可能大一些BF1、F2两个力越大越好C在拉橡皮条时，弹簧测力计的外壳不要与纸面接触，产生摩擦D拉力F1、F2的方向应与纸面平行，弹簧及钩子不与弹簧测力计的外壳及纸面接触，产生摩擦解析：(1)考虑到重力的影响，两只弹簧测力计校对的方法是，把两只弹簧测力计的钩子互钩着水平地拉动，看两者示数是否完全相同，故B正确，A、C、D错误(2)画平行四边形时，夹角稍大画出的平行四边形就会准些，但不是夹角越大越好，如果夹角很大可能使合力很小，作图法求得的合力误差会较大，A错误；数据处理时我们需要画出力的大小和方向，所以力要适当大些可减小测量误差对实验的影响，但是并非越大越好，如果太大可能导致合力太大，只用一只弹簧测力计拉时，量程不够，B错误；弹簧测力计的外壳与纸面接触没有影响，只要弹簧不与外壳摩擦即可，C错误；在白纸中作图时，作出的是水平力的图示，若拉力倾斜，则作出图的方向与实际力的方向有较大差别，再者由于摩擦测得的力的大小也不准，故为了减小因摩擦造成的误差，应使各力尽量与木板面平行，D正确答案：(1)B(2)D4在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，必须采用_法；为了探究加速度与力的关系，应保持_不变；为了直观地判断加速度a与力F的数量关系，应该作出_图象(选填“aF”或“a”)为了探究加速度与质量的关系，应保持_不变；为了直观地判断加速度a与质量m的数量关系，应作_图象(选填“am”或“a”)解析：为了探究加速度与力的关系，应保持m不变，为了直观地判断加速度a与力F的数量关系，应作出aF图象为了探究加速度与质量的关系，应保持F不变，为了直观地判断加速度a与质量m的数量关系，应作a图象答案：控制变量maFFa5如图所示，为某同学安装的“验证牛顿第二定律”的实验装置，在小车的前端固定一个传感器，和砂桶连接的细线接在传感器上，通过传感器可显示出细线的拉力在图示状态下开始做实验(1)从图中可以看出，该同学在装置和操作中的错误是_(2)若砂和砂桶的质量为m，小车和传感器的总重量为M，做好此实验_(选填“需要”或“不需要”)Mm的条件解析：(2)不加传感器时将砂和砂桶的重力作为细线的拉力，而接了传感器后细线的拉力可以直接读出答案：(1)未平衡摩擦力；细线与木板不平行；开始实验时，小车离打点计时器太远(答出一个即可)(2)不需要6某同学在家中尝试验证平行四边形定则，他找到三条相同的橡皮筋(遵循胡克定律)和若干小重物，以及刻度尺、三角板、铅笔、细绳、白纸、钉子，设计了如下实验：将两条橡皮筋的一端分别挂在墙上的两个钉子A、B上，另一端与第三条橡皮筋连接，结点为O，将第三条橡皮筋的另一端通过细绳挂一重物(1)完成该实验，下述操作中必需的是_a测量细绳的长度 b测量橡皮筋的原长 c测量悬挂重物后橡皮筋的长度 d记录悬挂重物后结点O的位置(2)钉子位置固定，欲利用现有器材，改变条件再次验证，可采用的方法是_.解析：(1)三条相同的橡皮筋，具有相同的劲度系数，故三条橡皮筋的形变量的大小关系代表了三条橡皮筋承受的力的大小关系，故必需b、c项A、B两点固定，