第5講　實驗：探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系(重點實驗)

第一章

運(yùn)動的描述勻變速直線運(yùn)動第5講實驗：探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系(重點實驗)開始010203實驗知能·系統(tǒng)歸納實驗關(guān)鍵·逐點發(fā)掘遷移應(yīng)用·發(fā)展素養(yǎng)一、理清原理與操作原理裝置圖探究方法——控制變量法操作要領(lǐng)(1)平衡：用阻力補(bǔ)償法平衡摩擦力(改變小車或槽碼質(zhì)量，無需重新平衡摩擦力)。(2)質(zhì)量：槽碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量(若使用力傳感器，或以小車與槽碼的系統(tǒng)為研究對象無需滿足此要求)。(3)要測量的物理量①小車與其上砝碼的總質(zhì)量(用天平測量)。②小車受到的拉力(約等于槽碼的重力)。③小車的加速度(根據(jù)紙帶用逐差法或根據(jù)光電門數(shù)據(jù)計算加速度)。(4)其他：細(xì)繩與長木板平行；小車從靠近打點計時器的位置釋放，在到達(dá)定滑輪前按住小車，實驗時先接通電源，后釋放小車。續(xù)表二、掌握數(shù)據(jù)處理方法1．逐差法求加速度先在紙帶上標(biāo)明計數(shù)點，測量各計數(shù)點間的距離，根據(jù)逐差法計算各條紙帶對應(yīng)的加速度。三、掃描實驗盲點1．注意事項(1)平衡摩擦力的方法：在長木板無滑輪的一端墊上小木塊，使其適當(dāng)傾斜，利用小車重力沿斜面方向的分力與摩擦力平衡。(2)判斷小車是否做勻速直線運(yùn)動，一般可目測，必要時可通過打點紙帶，看上面各點間的距離是否均勻。(3)平衡摩擦力時要注意以下兩點：①平衡摩擦力時不能在細(xì)繩的另一端掛槽碼。②平衡摩擦力時必須讓小車連上紙帶，且讓打點計時器處于工作狀態(tài)。2．誤差分析偶然誤差小車、槽碼質(zhì)量的測量，紙帶上各計數(shù)點間距的測量系統(tǒng)誤差(1)平衡小車的摩擦力不準(zhǔn)(2)用槽碼的重力替代細(xì)繩的拉力關(guān)鍵點(一)是否需要平衡摩擦力[考法感悟]1．某實驗小組利用如圖1所示的裝置“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”。(1)實驗中除了需要小車、砝碼、托盤、細(xì)繩、附有定滑輪的長木板、墊木、打點計時器、低壓交流電源、兩根導(dǎo)線、復(fù)寫紙、紙帶之外，還需要________、________。(3)有一組同學(xué)保持小車及車中的砝碼質(zhì)量一定，探究加速度a與所受外力F的關(guān)系，他們在軌道水平及傾斜兩種情況下分別做了實驗，得到了兩條a-F圖線，如圖3所示。圖線________(填“①”或“②”)是在軌道傾斜情況下得到的；小車及車中砝碼的總質(zhì)量M＝________kg。答案：(1)天平刻度尺(2)反比過大(3)①

0.5解析：(1)實驗中需要用托盤和砝碼的總重力表示小車受到的拉力，需測量托盤的質(zhì)量，所以還需要天平。實驗中需要用刻度尺測量紙帶上點跡間的距離，從而得出加速度，所以還需要刻度尺。2．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(jìn)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______。(多選)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(xì)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＝______。解析：(1)先接通光電門后釋放滑塊，以確保滑塊經(jīng)過光電門時，光電門能正常工作，故選項A正確；掛上砝碼后，滑塊受拉力作用，因此在調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平時應(yīng)不掛砝碼，故選項B錯誤；調(diào)節(jié)定滑輪使細(xì)線和氣墊導(dǎo)軌平行的目的是使滑塊所受拉力與運(yùn)動方向相同，故選項C正確；由于兩光電門記錄的是滑塊通過它們的時間，不需要每次經(jīng)過時速度相等，因此不需要每次都將滑塊從同一位置由靜止釋放，故選項D錯誤。(4)圖像出現(xiàn)了縱截距，原因是沒有選取滑塊和砝碼、砝碼盤一起作為研究對象(或M沒有加上砝碼和砝碼盤的質(zhì)量)。[系統(tǒng)建模]1．在探究放在長木板上的小車的加速度與所受的合外力、質(zhì)量的關(guān)系時，為了使細(xì)繩的拉力作為小車所受的合外力，必須平衡小車所受的摩擦力。2．在利用氣墊導(dǎo)軌探究滑塊加速度與合外力、質(zhì)量的關(guān)系時，只要?dú)鈮|導(dǎo)軌處于水平狀態(tài)，細(xì)繩的拉力即為滑塊所受的合外力，此時不必使導(dǎo)軌適當(dāng)傾斜。關(guān)鍵點(二)是否一定滿足m?M[考法感悟]1．(2023·湖北武漢調(diào)研)某同學(xué)用如圖所示裝置來探究“在外力一定時，物體的加速度與其質(zhì)量之間的關(guān)系”。(1)下列實驗中相關(guān)操作正確的是________。A．補(bǔ)償阻力時，應(yīng)先將沙桶用細(xì)線繞過定滑輪系在小車上B．補(bǔ)償阻力時，小車后面應(yīng)固定一條紙帶，紙帶穿過打點計時器C．小車釋放前應(yīng)靠近打點計時器，且先釋放小車后接通打點計時器的電源答案：(1)B

(2)0.05

(3)C解析：(1)補(bǔ)償阻力時，應(yīng)不掛沙桶，只讓小車拖著紙帶在木板上做勻速運(yùn)動，選項A錯誤；補(bǔ)償阻力時，小車后面應(yīng)固定一條紙帶，紙帶穿過打點計時器，選項B正確；小車釋放前應(yīng)靠近打點計時器，且先接通打點計時器的電源后釋放小車，選項C錯誤。2.某同學(xué)用如圖1所示的裝置探究小車加速度與合外力的關(guān)系。圖中小車A左端連接一紙帶并穿過打點計時器B的限位孔，右端用一輕繩繞過滑輪系于拉力傳感器C的下端，A、B置于水平放置的一端帶有定滑輪的足夠長的木板上。不計繩與滑輪的摩擦及滑輪的質(zhì)量。實驗時，先接通電源再釋放小車，打點計時器在紙帶上打下一系列點。該同學(xué)在保證小車A質(zhì)量不變的情況下，通過改變P的質(zhì)量來改變小車A所受的外力，由傳感器和紙帶測得的拉力F和加速度a數(shù)據(jù)如下表所示。次數(shù)12345F/N0.100.180.260.300.40a/(m·s－2)0.080.220.37______0.59(1)第4次實驗得到的紙帶如圖2所示，O、A、B、C和D是紙帶上的五個計數(shù)點，每兩個相鄰點間有四個點沒有畫出，A、B、C、D四點到O點的距離如圖所示。打點計時器電源頻率為50Hz。根據(jù)紙帶上數(shù)據(jù)計算出加速度為__________m/s2。(保留兩位有效數(shù)字)(2)在實驗中，______________(填“需要”或“不需要”)滿足重物P的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。(3)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在圖3所示坐標(biāo)系中作出小車加速度a與力F的關(guān)系圖像。(4)根據(jù)圖像推測，實驗操作中重要的疏漏是_____________________________________________________________________________________________________________________________。答案：(1)0.43

(2)不需要(3)見解析圖(4)沒有平衡摩擦力或者摩擦力平衡不足(2)本實驗用傳感器即可直接測得作用在小車A上的拉力，故本實驗不需要滿足重物P的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。(3)根據(jù)表中數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點、連線，用平滑的曲線連接各點即可得到小車加速度a與力F的關(guān)系圖像，如圖所示。(4)通過小車加速度a與力F的關(guān)系圖像不通過原點可知，實驗操作中重要的疏漏是沒有平衡摩擦力或者摩擦力平衡不足。1．探究“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗裝置如圖甲所示。小車后面固定一條紙帶，穿過電火花計時器，細(xì)線一端連著小車，另一端通過光滑的定滑輪和動滑輪與掛在豎直面內(nèi)的拉力傳感器相連，動滑輪下懸掛鉤碼，拉力傳感器用于測量小車受到拉力的大小。(1)關(guān)于平衡摩擦力，下列說法正確的是________。A．平衡摩擦力時，需要在動滑輪上掛上鉤碼B．改變小車質(zhì)量時，需要重新平衡摩擦力C．改變小車?yán)r，不需要重新平衡摩擦力(2)實驗中__________(填“需要”或“不需要”)滿足所掛鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量。(3)某同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出了加速度a與力F的關(guān)系圖像如圖乙所示，圖線不過原點的原因是__________。A．鉤碼質(zhì)量沒有遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量B．平衡摩擦力時木板傾角過大C．平衡摩擦力時木板傾角過小或未平衡摩擦力答案：(1)C

(2)不需要(3)B解析：(1)平衡摩擦力只需要將木板適當(dāng)傾斜，不需要在動滑輪上掛鉤碼；改變小車質(zhì)量或拉力時，都不需要重新平衡摩擦力，選項A、B錯誤，C正確。(2)由于在細(xì)線一端加了拉力傳感器，能夠直接讀出拉力數(shù)值，因此不需要滿足所掛鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量。(3)由題圖乙可知在拉力F為零時小車有加速度，應(yīng)是平衡摩擦力時木板傾角過大造成的，選項B正確。2．(2023·汕頭高三月考)如圖1為“用DIS研究加速度和力的關(guān)系”的實驗裝置。(1)實驗時有以下一些步驟，先后順序是________(填寫字母標(biāo)號)。A．點擊“選擇區(qū)域”，計算機(jī)自動計算出加速度值；B．保持小車、配重片和發(fā)射器總質(zhì)量不變，不斷增加鉤碼的質(zhì)量，重復(fù)實驗；C．點擊“開始記錄”并釋放小車，當(dāng)小車到達(dá)終點時，點擊“停止記錄”，得到v-t圖像。(2)若測得小車、配重片和發(fā)射器的總質(zhì)量為360g，若把鉤碼的重力作為小車受的合外力，則跨過滑輪的細(xì)繩下懸掛的鉤碼質(zhì)量范圍最適合用____________。A．1g～25g

B．100g～200gC．180g～360g D．大于360g(3)當(dāng)小車總質(zhì)量一定，改變鉤碼質(zhì)量重復(fù)實驗，釋放小車的位置____________(填“必須相同”或“可以不同”)。(4)實驗中某小組獲得如圖2所示的圖線，在進(jìn)行“選擇區(qū)域”操作記錄小車加速度時，在選擇AB段、BC段和AC段中，你認(rèn)為選擇哪段獲得的加速度較精確？答：____________。答案：(1)CAB

(2)A

(3)可以不同(4)AC解析：(1)依題意，本實驗的順序應(yīng)為：點擊“開始記錄”并釋放小車，當(dāng)小車到達(dá)終點時，點擊“停止記錄”，得到v-t圖像；點擊“選擇區(qū)域”，計算機(jī)自動計算出加速度值；保持小車、配重片和發(fā)射器總質(zhì)量不變，不斷增加鉤碼的質(zhì)量，重復(fù)實驗。故應(yīng)為CAB。(2)本實驗是把細(xì)繩下懸掛鉤碼的重力當(dāng)成小車所受到的拉力，所以需要滿足鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車、配重片和發(fā)射器的總質(zhì)量，結(jié)合選項數(shù)據(jù)，最合適的應(yīng)為1g～25g。故選A。(3)當(dāng)小車總質(zhì)量一定，改變鉤碼質(zhì)量重復(fù)實驗，目的是測出加速度，則釋放小車的位置可以不同，位置合適即可。(4)AC段區(qū)域數(shù)據(jù)更多，計算機(jī)擬合出的斜率更精確，獲得的加速度較精確。3．(2021·湖南高考)某實驗小組利用圖(a)所示裝置探究加速度與物體所受合外力的關(guān)系。主要實驗步驟如下：(1)用游標(biāo)卡尺測量墊塊厚度h，示數(shù)如圖(b)所示，h＝________cm；(2)接通氣泵，將滑塊輕放在氣墊導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌至水平；(3)在右支點下放一墊塊，改變氣墊導(dǎo)軌的傾斜角度；(4)在氣墊導(dǎo)軌合適位置釋放滑塊，記錄墊塊個數(shù)n和滑塊對應(yīng)的加速度a；

(5)在右支點下增加墊塊個數(shù)(墊塊完全相同)，重復(fù)步驟(4)，記錄數(shù)據(jù)如下表：n123456a/(m·s－2)0.0870.1800.260

0.4250.519根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖(c)上描點，繪制圖線。如果表中缺少的第4組數(shù)據(jù)是正確的，其應(yīng)該是______m/s2(保留三位有效數(shù)字)。答案：(1)1.02

(5)見解析圖0.343解析：(1)墊塊的厚度為h＝1cm＋2×0.1mm＝1.02cm。(5)繪制圖線如圖所示：4．(2023屆·浙江高三開學(xué)聯(lián)考)某同學(xué)用如圖甲、乙、丙三種方案分別做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗。已知圖丙中的手機(jī)傳感器可以測量細(xì)線上拉力的大小。實驗中，用天平測量小車的質(zhì)量，用打點計時器在紙帶上打點，測量小車