2022版高考物理一輪復(fù)習(xí)第三章牛頓運動定律實驗四探究加速度與物體受力物體質(zhì)量的關(guān)系

實驗四探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系一、實驗?zāi)康?．學(xué)會用控制變量法研究物理規(guī)律。2．學(xué)會靈活運用圖象法處理實驗數(shù)據(jù)。3．探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，并驗證牛頓第二定律。二、實驗原理與要求2．實驗器材小車、砝碼、小盤、細繩、附有定滑輪的長木板、墊木、打點計時器、低壓交流電源、導(dǎo)線、紙帶、天平、毫米刻度尺。3．實驗步驟(1)測量：用天平測量小盤和砝碼的總質(zhì)量m′和小車的質(zhì)量m。(2)安裝：按照實驗原理圖把實驗器材安裝好，只是不把懸掛小盤的細繩系在小車上(即不給小車牽引力)。(3)平衡摩擦力：在長木板不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，使小車能勻速下滑。

[規(guī)律方法總結(jié)]1．注意事項(1)平衡摩擦力：適當(dāng)墊高木板的右端，使小車的重力沿斜面方向的分力正好平衡小車和紙帶受到的阻力。在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細繩系在小車上，但要小車?yán)垘А?2)實驗時要保證小盤和砝碼的總質(zhì)量m′遠小于小車的質(zhì)量m。(3)不必重復(fù)平衡摩擦力。(4)一先一后：改變拉力和小車質(zhì)量后，每次開始時小車應(yīng)盡量靠近打點計時器，并應(yīng)先接通電源，后釋放小車。2．誤差分析(1)因?qū)嶒炘聿煌晟埔鸬恼`差：本實驗用小盤和砝碼的總重力m′g代替小車的拉力，而實際上小車所受的拉力要小于小盤和砝碼的總重力。(2)摩擦力平衡不準(zhǔn)確、質(zhì)量測量不準(zhǔn)確、計數(shù)點間距測量不準(zhǔn)確、紙帶和細繩不嚴(yán)格與木板平行以及描點作圖時都會引起誤差。命題點一教材原型實驗 實驗原理與操作[典例1]

在“驗證牛頓運動定律”實驗中，采用如圖所示的裝置進行實驗。(1)對小車進行“平衡摩擦力”操作時，下列必須進行的是________(填字母序號)。A．取下沙和沙桶B．在空沙桶的牽引下，輕推一下小車，小車能做勻速直線運動C．小車拖著穿過打點計時器的紙帶做勻速運動時，打點計時器的電源應(yīng)斷開D．把長木板沒有定滑輪的一端墊起適當(dāng)高度AD

[解析]

(1)平衡摩擦力是使小車所受重力沿木板方向的分力與小車所受摩擦力平衡，故A、D項正確，B項錯誤；為確定小車是否為勻速運動，需要通過紙帶上點跡是否均勻來判斷，故C項錯誤。(2)實驗中，已經(jīng)測出小車的質(zhì)量為M，沙和沙桶的總質(zhì)量為m，若要將沙和沙桶的總重力大小作為小車所受拉力F的大小，這樣做的前提條件是________________________。[答案]

(2)沙和沙桶的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量[解析]

(3)本實驗是“驗證牛頓運動定律”，所以不能把牛頓第二定律當(dāng)成已知的公式來使用，故A錯誤；使用打點計時器時，應(yīng)該先接通電源，后釋放紙帶，故B正確；平衡摩擦力后有μ＝tanθ，小車質(zhì)量改變時，總滿足mgsinθ＝μmgcosθ，與小車質(zhì)量無關(guān)，所以不用再次平衡摩擦力，故C錯誤；本實驗采用控制變量法，故D正確。[答案]

(3)BD

數(shù)據(jù)處理與分析[典例2]

某組同學(xué)設(shè)計了“探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量M的關(guān)系”實驗。圖甲為實驗裝置簡圖，A為小車，B為電火花計時器，C為裝有細沙的小桶，D為一端帶有定滑輪的長方形木板，實驗中認為細繩對小車的拉力F等于細沙和小桶的總重力，小車運動的加速度a可用紙帶上打出的點求得。(1)圖乙為某次實驗得到的紙帶，已知實驗所用電源的頻率為50Hz。根據(jù)紙帶可求出電火花計時器打B點時的速度為________m/s，小車的加速度大小為________m/s2。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)(2)在“探究加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系”時，某同學(xué)按照自己的方案將實驗數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中進行了標(biāo)注，但尚未完成圖象(如圖丙所示)。請繼續(xù)幫助該同學(xué)作出坐標(biāo)系中的圖象。[解析]

(2)將坐標(biāo)系中各點連成一條直線，連線時應(yīng)使直線過盡可能多的點，不在直線上的點應(yīng)大致對稱地分布在直線的兩側(cè)，離直線較遠的點應(yīng)視為錯誤數(shù)據(jù)，不予考慮，連線如圖所示。[答案]

(1)1.6

3.2(2)圖見解析(3)在“探究加速度a與合力F的關(guān)系”時，該同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出了加速度a與合力F的圖線如圖丁，該圖線不通過坐標(biāo)原點，試分析圖線不通過坐標(biāo)原點的原因。答：_______________________________________________________。[解析]

(3)圖線與橫軸有截距，說明實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。

[答案]

(3)實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足(4)實驗時改變所掛小桶內(nèi)細沙的質(zhì)量，分別測量小車在不同外力作用下的加速度。根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)畫出a--F關(guān)系圖線，如圖戊所示。此圖線的AB段明顯偏離直線，造成此現(xiàn)象的主要原因可能是________(選填下列選項的序號)。

A．小車與平面軌道之間存在摩擦B．平面軌道傾斜角度過大C．所掛小桶及桶內(nèi)細沙的總質(zhì)量過大D．所用小車的質(zhì)量過大[答案]

(4)C命題點二實驗創(chuàng)新設(shè)計

實驗器材創(chuàng)新[典例3]

(2021·江蘇新沂高三質(zhì)檢)圖甲是利用氣墊導(dǎo)軌探究在外力一定的條件下，物體加速度與質(zhì)量的關(guān)系的實驗裝置。實驗步驟如下：①氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，并調(diào)至水平；②用游標(biāo)卡尺測出擋光條的寬度為l；③由導(dǎo)軌上標(biāo)尺讀出兩光電門中心之間的距離為s；④將滑塊移至光電門1左側(cè)某處，待砝碼靜止不動后釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過光電門2；⑤從數(shù)字計時器(圖中未畫出)上分別讀出擋光條通過光電門1和光電門2所用的時間分別為Δt1和Δt2；⑥用天平稱出滑塊和擋光條的總質(zhì)量為M；⑦改變滑塊的質(zhì)量，重復(fù)步驟④⑤⑥進行多次實驗。據(jù)上述實驗回答下列問題：(1)關(guān)于實驗操作，下列說法正確的是________。A．應(yīng)先接通光電門后釋放滑塊B．調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平時，應(yīng)掛上砝碼C．應(yīng)調(diào)節(jié)定滑輪使細線和氣墊導(dǎo)軌平行D．每次都應(yīng)將滑塊從同一位置由靜止釋放(2)用測量物理量的字母表示滑塊加速度a＝________。[答案]

(3)2.5(2.3～2.7均可)

(4)沒有選取滑塊和砝碼一起作為研究對象(或M沒有加上砝碼和砝碼盤的質(zhì)量)創(chuàng)新評價本實驗用光電門和氣墊導(dǎo)軌代替打點計時器與滑板組合，無須平衡摩擦力，操作便捷；根據(jù)遮光條的寬度可測滑塊的速度，應(yīng)用運動學(xué)公式求加速度，避免了紙帶位移測量的誤差。

實驗設(shè)計創(chuàng)新[典例4]

某物理課外小組利用圖(a)中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系。圖中，置于實驗臺上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼。本實驗中可用的鉤碼共有N＝5個，每個質(zhì)量均為0.010kg。實驗步驟如下：(1)將5個鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適當(dāng)厚度的小物塊，使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑。(2)將n(依次取n＝1,2,3,4,5)個鉤碼掛在輕繩右端，其余N－n個鉤碼仍留在小車內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行。釋放小車，同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移s，繪制st圖象，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度a。(3)對應(yīng)于不同的n的a值見下表。n＝2時的st圖象如圖(b)所示；由圖(b)求出此時小車的加速度(保留兩位有效數(shù)字)，將結(jié)果填入下表。n12345a/(m·s－2)0.200.580.781.00(4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖(c)中補齊數(shù)據(jù)點，并作出a-n圖象。從圖象可以看出：當(dāng)物體質(zhì)量一定時，物體的加速度與其所受的合外力成正比。(5)利用a-n圖象求得小車(空載)的質(zhì)量為________kg(保留兩位有效數(shù)字，重力加速度取g＝9.8m·s－2)。(6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1)，下列說法正確的是________(填入正確選項前的標(biāo)號)。A．a(chǎn)-n圖線不再是直線B．a(chǎn)-n圖線仍是直線，但該直線不過原點C．a(chǎn)-n圖線仍是直線，但該直線的斜率變大創(chuàng)新評價本題創(chuàng)新之處體現(xiàn)在兩點，一是實驗過程保證了系統(tǒng)總質(zhì)量不變化；二是用傳感器記錄小車的時間t與位移s，直接繪制s-t圖象處理實驗數(shù)據(jù)。

實驗?zāi)康膭?chuàng)新[典例5]

(2020·全國百強名校高三下學(xué)期領(lǐng)軍考試)某同學(xué)用如圖甲所示的實驗裝置測量木塊與木板間的動摩擦因數(shù)。(1)從打出的若干紙帶中選出了如圖乙所示的一條，紙帶上A、B、C、D、E這些點的間距如圖中標(biāo)示，其中每相鄰兩點間還有4個計時點未畫出。打點計時器的電源頻率是50Hz，根據(jù)測量結(jié)果計算：打C點時紙帶的速度大小為________________m/s；紙帶運動的加速度大小為________________m/s2。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)(2)通過(1)測得木塊的加速度為a，還測得鉤碼和木塊的質(zhì)量分別為m和M，已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，則動摩擦因數(shù)μ＝________________。創(chuàng)新評價本題中的創(chuàng)新點在于由驗證加速度與物體的質(zhì)量、合外力的關(guān)系拓展為利用牛頓第二定律測量物塊與木板間的動摩擦因數(shù)。

實驗情景創(chuàng)新[典例6]

某實驗小組應(yīng)用如圖甲所示裝置“探究加速度與物體受力的關(guān)系”，已知小車的質(zhì)量為M，砝碼及砝碼盤的總質(zhì)量為m，所用的打點計時器所接的交流電的頻率為50Hz。實驗步驟如下：

A．按圖所示安裝好實驗裝置，其中與定滑輪及彈簧測力計相連的細線豎直；B．調(diào)節(jié)長木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長木板向下勻速運動；C．掛上砝碼盤，接通電源后，再放開小車，打出一條紙帶，由紙帶求出小車的加速度；D．改變砝碼盤中砝碼的質(zhì)量，重復(fù)步驟C，求得小車在不同合力作用下的加速度。根據(jù)以上實驗過程，回答以下問題：(1)對于上述實驗，下列說法正確的是________。A．小車的加速度與砝碼盤的加速度大小相等B．實驗過程中砝碼盤處于超重狀態(tài)C．與小車相連的細線與長木板一定要平行D．彈簧測力計的讀數(shù)應(yīng)為砝碼和砝碼盤總重力的一半E．砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量應(yīng)遠小于小車的質(zhì)量C[解析]

(1)由圖可知，小車的加速度是砝碼盤的加速度大小的2倍，故A錯誤；實驗過程中，砝碼向下加速運動，處于失重狀態(tài)，故B錯誤；與小車相連的細線與長木板一定要平行，保證拉力沿著木板方向，故C正確；實驗過程中，砝碼向下加速運動，處于失重狀態(tài)，故彈簧測力計的讀數(shù)小于砝碼和砝碼盤總重力的一半，故D錯誤；由于不需要把砝碼的重力作為小車的拉力，故不需要使砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，故E錯誤。(2)實驗中打出的一條紙帶如圖乙所示，由該紙帶可求得小車的加速度為________m/s2。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)[答案]

(2)0.16(3)由本實驗得到的數(shù)據(jù)作出小車的加速度a與彈簧測力計的示數(shù)F的關(guān)系圖象，與本實驗相符合的是________。[解析](3)由題意可知，小車的加速度a與彈簧測力計的示數(shù)F的關(guān)系應(yīng)該是成正比，即為過原點的一條傾斜直線，故A與本實驗符合。A創(chuàng)新評價本實驗在原理不變的基礎(chǔ)上，改換拉力測量的情景，結(jié)合定滑輪的特點，由彈簧測力計可獲取拉力，不需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量的條件。

1．如圖所示，某實驗小組借用“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗裝置，進行“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”的實驗，實驗時使小車在砝碼和托盤的牽引下運動，以此定量探究細繩拉力做功與小車速度變化的關(guān)系。(1)實驗準(zhǔn)備了打點計時器及配套的電源、導(dǎo)線、紙帶、復(fù)寫紙及如圖所示的器材。若要完成該實驗，必需的實驗器材還有其中的________。(2)為達到平衡摩擦力的目的，取下細繩和托盤，通過調(diào)節(jié)墊片的位置，改變長木板傾斜程度，根據(jù)打出的紙帶判斷小車是否做________運動。解析：(1)本實驗的實驗原理是合外力所做的功等于動能的變化量，通過研究紙帶來研究小車的速度，利用天平測量小車的質(zhì)量，利用砝碼的重力代替小車的合外力，所以需要刻度尺來測量紙帶上點的距離和用天平測得小車的質(zhì)量，即還需要刻度尺，天平(帶砝碼)，故選A、C。(2)為達到平衡摩擦力的目的，取下細繩和托盤，通過調(diào)節(jié)墊片的位置，改變長木板傾斜程度，根據(jù)打出的紙帶判斷小車是否做勻速直線運動。答案：(1)AC

(2)勻速直線(3)實驗開始時，先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使?fàn)恳≤嚨募毨K與木板平行。這樣做的目的是________(填字母代號)。A．避免小車的運動過程中發(fā)生抖動B．可使打點計時器在紙帶上打出的點跡清晰C．可以保證小車最終能夠?qū)崿F(xiàn)勻速直線運動D．可在平衡摩擦力后使細繩的拉力等于小車受的合力解析：(3)實驗過程中，為減少誤差，提高實驗的精確度，應(yīng)先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使?fàn)恳≤嚨募毨K與木板平行，目的是平衡摩擦力后，使細繩的拉力等于小車的合力，故A、B、C錯誤，D正確。答案：(3)D2．(2020·高考全國卷Ⅱ)一細繩跨過懸掛的定滑輪，兩端分別系有小球A和B，如圖所示。一實驗小組用此裝置測量小球B運動的加速度。令兩小球靜止，細繩拉緊，然后釋放小球，測得小球B釋放時的高度h0＝0.590m，下降一段距離后的高度h＝0.100m；由h0下降至h所用的時間T＝0.730s。由此求得小球B加速度的大小為a＝________m/s2(保留三位有效數(shù)字)。從實驗室提供的數(shù)據(jù)得知，小球A、B的質(zhì)量分別為100.0g和150.0g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮間＝9.80m/s2。根據(jù)牛頓第二定律計算可得小球B加速度的大小為a′＝________m/s2(保留三位有效數(shù)字)?？梢钥闯觯琣′與a有明顯差