高考一轮复习物理学案（新教材粤教版）第三章运动和力的关系实验四探究加速度与力质量的关系

实验四探究加速度与力、质量的关系目标要求1.理解实验的原理，明确实验过程并能进行数据处理.2.了解实验的注意事项，会对实验进行误差分析.3.能用创新改进后的方案进行实验．实验技能储备1．实验目的(1)学会用控制变量法研究物理量之间的关系．(2)探究加速度与力、质量的关系．(3)掌握利用图像处理数据的方法．2．实验器材气垫导轨(一端带有定滑轮)、滑块(带有遮光条)、光电门(两个)、数字计时器、细绳、小桶、砝码、橡皮泥、刻度尺、天平、气源．3．实验原理(1)三个物理量的测量①滑块质量的测量：利用天平测出，在滑块上增加或减少砝码可改变滑块的质量．②拉力的测量：用装有橡皮泥的小桶的总重力mg当作滑块受到的拉力F.同时满足装有橡皮泥的小桶的总质量远小于滑块的质量．③加速度的测量：用刻度尺测出两光电门间的距离s，用刻度尺测出固定在滑块上的遮光条宽度Δs，用数字计时器测出遮光条分别通过前后两个光电门的时间Δt1、Δt2，则滑块经过两个光电门的速度v1＝eq\f(Δs,Δt1)，v2＝eq\f(Δs,Δt2)，再由v22－v12＝2as求出滑块的加速度a.(2)实验数据的处理——图像法、“化曲为直”法①研究加速度a和力F的关系以加速度a为纵坐标，力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出图像，如图甲所示．若图像是一条通过原点倾斜的直线，则说明a与F成正比．②研究加速度a与质量m的关系如图乙所示，因为a－m图像是曲线，检查a－m图像是否是双曲线，就能判断它们之间是否存在反比例关系，但检查这条曲线是否是双曲线，直接判断有困难．若a和m成反比，则a与eq\f(1,m)必成正比．我们采取“化曲为直”的方法，以a为纵坐标，以eq\f(1,m)为横坐标，作出a－eq\f(1,m)图像，若a－eq\f(1,m)图像是一条过原点倾斜的直线，如图丙所示，说明a与eq\f(1,m)成正比，即a与m成反比．4．实验步骤(1)用天平测出滑块的质量M，并把数据记录下来．(2)把实验器材按如图所示安装好．(滑块上不系细绳)(3)调整气垫导轨底部螺丝，使滑块能做匀速直线运动．(4)在小桶内放入橡皮泥，用天平称出小桶和橡皮泥的总质量m，用细绳绕过定滑轮系在滑块上，滑块上放上适量的砝码，并记录下砝码质量．(5)保持滑块上砝码质量不变，增加小桶内橡皮泥的质量，按步骤(4)做6次实验．次数123456滑块加速度a/(m·s－2)小桶和橡皮泥的质量m/kg拉力F/N(6)保持小桶和橡皮泥的质量不变，在滑块上加上砝码，重复上面实验，求出相应的加速度，将相应数据填入表格．次数123456滑块加速度a/(m·s－2)滑块(含遮光条及砝码)质量M/kgeq\f(1,M)/kg－1(7)整理实验器材，结束实验．5．数据处理(1)用纵坐标表示加速度、横坐标表示作用力，根据实验结果画出滑块运动的a－F图像，从而得出a与F之间的关系．(2)用纵坐标表示加速度、横坐标表示滑块、遮光条和砝码质量之和M的倒数eq\f(1,M)，画出滑块运动的a－eq\f(1,M)图像，从而得出a与M之间的关系．6．误差分析(1)系统误差本实验用小桶和橡皮泥的总重力mg代替滑块受到的拉力，而实际上滑块所受的拉力要小于小桶和橡皮泥的总重力，而且小桶和橡皮泥的质量越大，误差越大．(2)偶然误差气垫导轨调整底座不准确，滑块、小桶和橡皮泥的质量测量不准确，两光电门之间的距离、遮光条的宽度测量不准确，细绳与导轨不平行都会引起误差．(3)作图时应使所作的直线通过尽可能多的点，不在直线上的点也要尽可能地对称分布在直线的两侧，但若遇到个别偏离较远的点可舍去．(4)为了减小实验误差，使利用v＝eq\f(Δs,Δt)求得的平均速度接近瞬时速度，要求遮光条的宽度应窄一点．考点一教材原型实验例1(2023·广东汕尾市调研)如图甲所示为探究牛顿第二定律的实验装置示意图，图中打点计时器使用的电源为50Hz的交流电源，在小车质量未知的情况下，通过改变桶中沙的多少来探究在小车质量一定的条件下，小车的加速度与合外力的关系．(1)平衡小车所受的摩擦力：取下装沙的桶，调整木板右端的高度，用手轻拨小车，直到打点计时器在纸带上打出一系列间距________的点．(2)实验中打出的其中一条纸带如图乙所示，每5个点标记一个计数点，标记结果如图所示，A、B、C、D为连续选择的计数点，相邻计数点间的时间间隔T＝______s；读出纸带上A、B计数点间距s1＝________cm，C、D计数点间距s2＝________cm；利用字母T、s1、s2表达出小车的加速度的计算式a＝________.(3)以沙和桶的总重力F为横坐标，小车的加速度a为纵坐标，作出a－F图像如图丙所示，则小车的质量为M＝________kg.例2(2023·宁夏平罗中学高三检测)某同学准备做“探究加速度与力的关系”和“探究加速度与质量的关系”实验．实验中，他将悬挂物的重力大小视为小车受到的细线拉力大小．(1)在补偿小车所受的阻力时，以下操作错误的是图________(选填“甲”或“乙”)；(2)已知打点计时器所用交变电源的频率为50Hz.该同学某次实验得到的纸带如图所示，A、B、C、D、E是5个连续的计数点．相邻两计数点间有四个点未画出，实验数据如表中所示，其中有一组数据读取不当，这组数据是____(选填A、B、C、D或E)．根据上述信息可得小车的加速度大小为______m/s2(结果保留两位有效数字)；计数点ABCDE位置坐标(cm)(3)在探究加速度与力的关系时，该同学根据实验数据作出的a－F图像如图丙所示，发现该图线不通过坐标原点且BC段明显偏离直线，分析其产生的原因，下列说法正确的是________．A．不通过坐标原点可能是因为补偿阻力不足B．不通过坐标原点可能是因为补偿阻力过度C．图线BC段弯曲可能是悬挂物总质量未满足远小于小车质量的条件考点二探索创新实验考向1实验器材的创新例3(2023·山东潍坊市模拟)如图甲所示，某实验小组利用验证牛顿第二定律的实验装置测定物块与木板之间的动摩擦因数，实验装置固定连接完毕后，调节木板及物块右侧两段细绳水平，初步试用各个器件工作正常．实验开始时在砂桶中放入适量的细砂，系统开始工作，物块做加速运动，打出的纸带如图乙所示，已知所用交流电源的频率为50Hz，重力加速度大小为g.(1)除图中所给的实验器材外，以下器材还必需选用的有________；A．天平B．刻度尺C．秒表D．干电池(2)已读出弹簧测力计的示数为F，为进一步测量动摩擦因数，下列物理量中还需测量的有________；A．木板的长度L B．物块的质量mC．砂和砂桶的质量M D．物块的运动时间t(3)图乙中给出了实验中获取的纸带的一部分数据，0、1、2、3、4、5是计数点，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，计数点间的距离如图乙所示．则打下计数点2时物块对应的速度大小v＝______m/s；本次实验物块对应的加速度大小a＝______m/s2；(结果均保留三位有效数字)(4)改变砂桶内细砂的质量，测量出对应的加速度a和弹簧测力计的示数F.若用图像法处理数据，得到了如图丙所示的一条倾斜的直线，如果该图线的横轴截距等于b，斜率为k.则动摩擦因数μ＝______(用题目中给的b、k、g表示)．例4(2021·湖南卷·11)某实验小组利用图(a)所示装置探究加速度与物体所受合外力的关系．主要实验步骤如下：(1)用游标卡尺测量垫块厚度h，示数如图(b)所示，h＝________cm；(2)接通气泵，将滑块轻放在气垫导轨上，调节导轨至水平；(3)在右支点下放一垫块，改变气垫导轨的倾斜角度；(4)在气垫导轨合适位置释放滑块，记录垫块个数n和滑块对应的加速度a；(5)在右支点下增加垫块个数(垫块完全相同)，重复步骤(4)，记录数据如下表：n123456a/(m·s－2)根据表中数据在图(c)上描点，绘制图线．如果表中缺少的第4组数据是正确的，其应该是________m/s2(保留三位有效数字)．考向2实验方案的创新例5(2023·广东省六校联盟联考)小华同学设计如图甲所示的实验装置做“探究加速度与力、质量的关系”创新实验．实验操作步骤如下：(ⅰ)挂上托盘和适量砝码，改变长木板的倾角，让带遮光片的小车沿长木板匀速下滑．(ⅱ)取下砝码盘和砝码，读出砝码的质量为m，小车和遮光片的总质量为M.让小车从靠近滑轮处沿长木板下滑，测出加速度a.(ⅲ)改变砝码质量和木板倾角，多次测量，作出a－mg图像，得出a－mg的关系．(g为重力加速度)(1)用游标卡尺测