2025届新高考物理热点精准复习 实验：探究加速度与物体受力、物体质量的关系

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实验：探究加速度与物体受力、物体质量的关系【学习目标】1.理解实验原理，会做“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验．2.能分析用其他仪器或方法探究加速度与物体受力、物体质量的关系的实验．【知识框架】【目录】问题一分析常规实验问题二分析创新实验Part1分析常规实验问题一分析常规实验1.探究方法——控制变量法1)控制小车的质量M(包括车上砝码)不变，研究加速度与合外力的关系。2)控制力F不变，改变小车的质量M，研究加速度与质量的关系。2.要测量的物理量1)小车的质量M(包括车上砝码)——用天平测出。2)小车受的拉力F——用天平测出槽码的质量m，由F=mg近似算出。3)小车的加速度a——(1)通过打点计时器打出的纸带测算出。(2)测出两个做初速度为零的匀加速直线运动的物体在相同时间内发生的位移x1、x2，由a=

，可得位移之比就等于加速度之比，即

。17.1实验思路1.测量质量用天平测出小车和槽码的质量，并把数据记录下来。2.安装器材按实验装置图将实验器材安装好(小车上不系细线)。3.阻力补偿在长木板无滑轮的一端下面垫一薄木板，调节薄木板的位置，直到小车拖动纸带沿木板匀速下滑。4.具体操作将小车停在靠近打点计时器处，挂上槽码，接通电源后放开小车打出纸带，取下纸带并在纸带上标上号码以及此时小车的质量M及槽码的质量m5.改变小车受力(保持小车的质量不变)(1)通过改变槽码的个数，改变槽码的总质量(总质量仍远小于小车质量)，来改变小车所受的拉力。(2)重复步骤4，多做几次实验。6.改变小车质量(保持小车受到的拉力不变)(1)通过增减小车上的砝码改变小车的质量。(2)重复步骤4，多做几次实验。问题一分析常规实验17.2实验步骤问题一分析常规实验17.3数据分析1.计算法测得加速度或加速度之比(等于位移之比)后，通过计算，看结果是否满足：(1)M一定时，

；(2)F一定时，

。2.图像法1)加速度与力的关系的实验数据分析：以加速度a为纵轴，以力F为横轴，根据测量数据描点，作出a-F图像，如图甲所示。a-F图像是一条通过原点的倾斜直线，则可得出结论：在误差允许的范围内，质量M不变时，加速度a与力F成正比。2)加速度与质量的关系的实验数据分析：以加速度a为纵轴，以质量M为横轴，作出a-M图像，如图所示，由于图像为曲线，判断a与M是否成反比关系较难。若a与M成反比，则a与成正比，我们采用“化曲为直”的方法，以加速度a为纵轴，以为横轴，作出a-图像，如图丙所示，图像是一条通过原点的倾斜直线，则可得出结论：在误差允许的范围内，力F不变时，加速度a与质量M成反比。1.误差分析（本实验涉及的误差有系统误差和偶然误差。）

1)系统误差：本实验用槽码的重力代替小车受到的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于槽码的重力。当槽码的质量小于小车的质量时，槽码的质量越接近于小车的质量，误差越大；槽码的质量越小于小车的质量，误差就越小。因此，满足槽码的质量远小于小车的质量的目的就是减小因实验原理不完善而引起的误差。2)偶然误差：阻力补偿不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细线不严格与木板平行都会引起误差。2.三种常见的误差情况1)图线①的上部发生了弯曲，是因为当小车所受拉力F较大时，不满足“重物的质量远小于小车的总质量”的条件。2)图线②与a轴有交点，说明拉力F=0(不挂重物)时，小车就具有了加速度，这是进行阻力补偿时，长木板的倾角过大造成的。3)图线③与F轴有交点，说明只有当F增大到某一定值时，小车才获得加速度，这是没有进行阻力补偿或阻力补偿不足造成的。3.实验注意事项1)阻力补偿：不要挂槽码，但小车要连着纸带；整个实验过程中，进行了阻力补偿后，不管以后是改变槽码的个数还是改变小车的质量，都不需要重新进行阻力补偿。(2)实验条件：实验中要使小车的质量远大于槽码的质量。只有如此，槽码的重力才可视为小车受到的拉力。3)一先一后一按住：改变拉力或小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。4)作图像：作图时两坐标轴标度比例要适当，这样描点时，点间距不至于过密，误差会小些。要通过尽可能多的点作图线，不在图线上的点应尽可能均匀分布在图线两侧，离图线较远的点应舍去。问题一分析常规实验17.4实验误差分析与注意事项例1.下列关于平衡摩擦力的说法中正确的有________．A.平衡摩擦力时，是在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，并反复移动薄木块至合适的位置B.在平衡摩擦力时，需要将挂小盘和砝码的细绳系在小车上C.在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着纸带匀速运动D.平衡木块摩擦力后，细绳的拉力即为木块受到的合外力E.整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力问题一分析常规实验ACDE例2.实验得到的a-F图像如图所示．(1)图线①的上部弯曲，是由于_______________________________________.(2)图线②与a轴有截距，是由于_____________________________________.(3)图线③与F轴有截距，是由于_____________________________________.问题一分析常规实验当木块受力F较大时，不满足“小盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量”的条件平衡摩擦力时长木板的倾角过大(平衡摩擦力过度)平衡摩擦力时长木板的倾角过小(平衡摩擦力不足)，或未平衡摩擦力例3.本实验用小盘和砝码所受的总重力代替对小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码所受的总重力，这种因实验原理不完善引起的误差是系统误差．设小盘和砝码的总质量为m，小车的质量为M，重力加速度为g，已平衡摩擦力，求：(1)细绳上的实际拉力的表达式．(2)根据(1)的表达式，说说什么情况下小盘和砝码所受的总重力才近似等于细线对小车的拉力．

问题一分析常规实验Part2分析创新实验问题二分析创新实验1.利用弹簧测力计或力传感器测量合外力的大小加速度可由纸带上的点计算得出，合外力可由力传感器或弹簧测力计直接或间接测出，从而判断加速度a与合外力F的关系。此方案中不需要满足m远小于M的条件。2.用气垫导轨替代长木板，利用光电门测加速度利用气垫导轨替代长木板做实验时，由于滑块与气垫导轨之间的摩擦力极小，故不需要进行阻力补偿，实验装置如图。3.通过位移之比测量加速度之比将两个相同的小车放在光滑水平板上，前端各系一条细线，线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘中可放重物，如图甲所示，使盘和重物的总质量始终远小于小车与车中重物的总质量，则盘和重物的总重力近似等于小车受到的拉力两个小车后端各系一条细线，一起被一个夹子夹着使小车静止，如图乙所示，打开夹子，两个小车同时开始运动，合上夹子，两小车同时停下，用刻度尺测出两个小车通过的位移，位移之比就等于它们的加速度之比。17.5实验拓展与创新例4.为了“验证牛顿第二定律”的正确性而采用如图甲所示的实验装置，带滑轮的长木板水平固定，实验过程始终保持跨过小车上的光滑定滑轮的两根细线均与长木板平行，且与拉力传感器相连的细线沿传感器轴线方向．(1)打点计时器使用________(选填“交流”或“直流”)电．(2)为了使小车所受的合力等于拉力，应该________(选填“平衡摩擦力”或“m砂m桶”)．(3)进行(2)的实验操作后，得到数据纸带乙，A、B、C、D、E为5个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有四个计时点未画出．已知打点计时器的工作频率为50Hz，可求出小车的加速度a＝________m/s2.(结果保留2位有效数字)(4)砂桶总质量为m，拉力传感器读数为F，小车质量为M，加速度为a，如果表达式________(用字母表示)成立，则说明牛顿第二定律正确．问题二分析创新实验

(1)交流(2)平衡摩擦力(3)0.40

(4)2F＝Ma交流平衡摩擦力0.402F＝Ma即时训练.某同学利用如图所示的实验装置来测量重力加速度g.细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为M的重锤．实验操作如下：①用米尺量出重锤1底端距地面的高度H；②在重锤1上加上质量为m的小钩码；③左手将重锤2压在地面上，保持系统静止．释放重锤2，同时右手开启秒表，在重锤1落地时停止计时，记录下落时间；④重复测量3次下落时间，取其平均值作为测量值t.请回答下列问题：(1)步骤④可以减小对下落时间t测量的________(选填“偶然”或“系统”)误差．(2)实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多，主要是为了________．A.使H测得更准确B.使重锤1下落的时间长一些C.使系统的总质量近似等于2MD.使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等(3)滑轮的摩擦阻力会引起实验误差．现提供一些橡皮泥用于减小该误差