2022年高考物理一輪-實(shí)驗(yàn)　探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系教師講解版

文檔來源網(wǎng)絡(luò)整理侵權(quán)必刪PAGE13.4實(shí)驗(yàn)探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系必備知識(shí)清單1．實(shí)驗(yàn)原理(1)保持質(zhì)量不變，探究加速度跟合外力的關(guān)系．(2)保持合外力不變，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系．(3)作出a－F圖象和a－eq\f(1,m)圖象，確定其關(guān)系．2．實(shí)驗(yàn)器材小車、砝碼、小盤、細(xì)繩、一端附有定滑輪的長木板、墊木、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源、導(dǎo)線兩根、紙帶、天平、米尺．3．實(shí)驗(yàn)步驟(1)測量：用天平測量小盤和砝碼的質(zhì)量m′和小車的質(zhì)量m.(2)安裝：按照如圖1所示裝置把實(shí)驗(yàn)器材安裝好，只是不把懸掛小盤的細(xì)繩系在小車上(即不給小車牽引力)．圖1(3)平衡摩擦力：在長木板的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．(4)操作：①小盤通過細(xì)繩繞過定滑輪系于小車上，先接通電源后放開小車，斷開電源，取下紙帶，編號(hào)碼．②保持小車的質(zhì)量m不變，改變小盤和砝碼的質(zhì)量m′，重復(fù)步驟①.③在每條紙帶上選取一段比較理想的部分，測加速度a.④描點(diǎn)作圖，作a－F的圖象．⑤保持小盤和砝碼的質(zhì)量m′不變，改變小車質(zhì)量m，重復(fù)步驟①和③，作a－eq\f(1,m)圖象．命題點(diǎn)精析（一）1．注意事項(xiàng)(1)平衡摩擦力：適當(dāng)墊高木板不帶定滑輪的一端，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(shí)，不要把懸掛小盤的細(xì)繩系在小車上，讓小車?yán)┻^打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶勻速運(yùn)動(dòng)．(2)不用重復(fù)平衡摩擦力．(3)實(shí)驗(yàn)條件：m?m′.(4)一先一后一按：改變拉力或小車質(zhì)量后，每次開始時(shí)小車應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并應(yīng)先接通電源，后釋放小車，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車．2．誤差分析(1)實(shí)驗(yàn)原理不完善：本實(shí)驗(yàn)用小盤和砝碼的總重力m′g代替小車的拉力，而實(shí)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(jì)數(shù)點(diǎn)間距測量不準(zhǔn)確、紙帶和細(xì)繩不嚴(yán)格與木板平行都會(huì)引起誤差．3．?dāng)?shù)據(jù)處理(1)利用Δx＝aT2及逐差法求a.(2)以a為縱坐標(biāo)，F(xiàn)為橫坐標(biāo)，描點(diǎn)、畫線，如果該線為過原點(diǎn)的直線，說明a與F成正比．(3)以a為縱坐標(biāo)，eq\f(1,m)為橫坐標(biāo)，描點(diǎn)、畫線，如果該線為過原點(diǎn)的直線，就能判定a與m成反比.典型例題例1某實(shí)驗(yàn)小組“探究小車加速度與所受合外力關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示，長木板放置在水平桌面上，拉力傳感器固定在小車上。他們多次改變鉤碼的個(gè)數(shù)，記錄拉力傳感器的讀數(shù)F，并利用紙帶數(shù)據(jù)求出加速度a。(1)該實(shí)驗(yàn)________(選填“需要”或“不需要”)滿足鉤碼總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和傳感器的總質(zhì)量。(2)圖乙為實(shí)驗(yàn)中得到的一條紙帶，兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有四個(gè)點(diǎn)未畫出，已知交流電頻率為50Hz，可求出小車的加速度大小為________m/s2(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。(3)以力傳感器的示數(shù)F為橫坐標(biāo)，加速度a為縱坐標(biāo)，畫出的a－F圖像如圖丙所示，其中橫軸截距為F0，求得圖線的斜率為k，若傳感器的質(zhì)量為m0，則小車的質(zhì)量為________________?！敬鸢浮?1)不需要(2)2.01(3)eq\f(1,k)－m0【解析】(1)不需要，因?yàn)槔梢灾苯佑美鞲衅髯x出來。(2)兩相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有四個(gè)點(diǎn)未畫出，說明相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T＝0.1s，根據(jù)逐差法Δx＝aT2可得加速度為a＝eq\f(xFG＋xEF＋xDE－xCD－xBC－xAB,9T2)代入數(shù)據(jù)解得a≈2.01m/s2。(3)設(shè)小車的質(zhì)量為m，所受滑動(dòng)摩擦力為f，以傳感器和小車為研究對(duì)象，根據(jù)牛頓第二定律有F－f＝(m＋m0)a變形得a＝eq\f(1,m＋m0)F－eq\f(f,m＋m0)則圖線的斜率為k＝eq\f(1,m＋m0)解得小車的質(zhì)量為m＝eq\f(1,k)－m0。練1用圖甲所示裝置探究物體的加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)調(diào)節(jié)滑輪高度，使滑輪和小車間的細(xì)線與木板平行，已經(jīng)平衡了摩擦力。g＝9.8m/s2。(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)保持小車(含車中砝碼)的質(zhì)量M不變，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測出小車運(yùn)動(dòng)的加速度a。圖乙為懸掛一個(gè)鉤碼后實(shí)驗(yàn)中打出紙帶的一部分，從比較清晰的點(diǎn)跡起，在紙帶上標(biāo)出連續(xù)的5個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E，相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間都有4個(gè)點(diǎn)跡未標(biāo)出，測得各計(jì)數(shù)點(diǎn)到A點(diǎn)間的距離如圖乙所示。已知所用電源的頻率為50Hz，則小車的加速度大小a＝________m/s2。若懸掛鉤碼的質(zhì)量為50g，把懸掛的鉤碼和小車(含車中砝碼)看成一個(gè)整體，則小車(含車中砝碼)的質(zhì)量M＝________kg。(結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)保持懸掛鉤碼的質(zhì)量m不變，在小車上增加砝碼，改變小車的質(zhì)量，得到對(duì)應(yīng)的加速度，若用加速度作為縱軸，小車(含車中砝碼)的質(zhì)量用M表示，為得到線性圖像，則橫軸代表的物理量為________。A．小車(含車中砝碼)的質(zhì)量MB．小車(含車中砝碼)的質(zhì)量與懸掛鉤碼的質(zhì)量之和m＋MC．小車(含車中砝碼)的質(zhì)量與懸掛鉤碼的質(zhì)量之和的倒數(shù)eq\f(1,m＋M)D．懸掛鉤碼質(zhì)量的倒數(shù)eq\f(1,m)【答案】(1)0.930.48(2)C【解析】(1)已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源頻率為50Hz，則紙帶上相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T＝5×0.02s＝0.1s根據(jù)Δx＝aT2可得xCE－xAC＝a(2T)2小車運(yùn)動(dòng)的加速度為a＝eq\f(xCE－xAC,4T2)＝eq\f(0.1636－0.0632－0.0632,0.04)m/s2＝0.93m/s2即小車的加速度大小為0.93m/s2。根據(jù)牛頓第二定律可得mg＝(M＋m)a代入數(shù)據(jù)解得M≈0.48kg即小車的質(zhì)量為0.48kg。(2)根據(jù)牛頓第二定律可得mg＝(M＋m)a解得a＝eq\f(1,M＋m)mg故為了得到線性圖像應(yīng)作a－eq\f(1,M＋m)圖像，故C符合題意，A、B、D不符合題意。練2為了“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”，現(xiàn)提供如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置：(1)以下實(shí)驗(yàn)操作正確的是()A．將木板不帶滑輪的一端適當(dāng)墊高，使小車在砝碼及砝碼盤的牽引下恰好做勻速運(yùn)動(dòng)B．調(diào)節(jié)滑輪的高度，使細(xì)線與木板平行C．先接通電源，后釋放小車D．實(shí)驗(yàn)中小車的加速度越大越好(2)在實(shí)驗(yàn)中得到一條如圖乙所示的紙帶，已知相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T＝0.1s，且間距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出分別為3.09cm、3.43cm、3.77cm、4.10cm、4.44cm、4.77cm，則小車的加速度a＝________m/s2.(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)(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?cè)谲壍浪郊皟A斜兩種情況下分別做了實(shí)驗(yàn)，得到了兩條a-F圖線，如圖丙所示．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)BC(2)0.34(3)①0.5【解析】(1)將不帶滑輪的木板一端適當(dāng)墊高，在不掛鉤碼的情況下使小車恰好做勻速運(yùn)動(dòng)，以使小車的重力沿斜面的分力和摩擦力抵消，那么小車的合力就是細(xì)線的拉力，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；細(xì)線的拉力為小車的合力，所以應(yīng)調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細(xì)線與木板平行，故選項(xiàng)B正確；實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器由靜止釋放，先接通電源，后釋放小車，故選項(xiàng)C正確；實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了減小實(shí)驗(yàn)的誤差，小車的加速度應(yīng)適當(dāng)大一些，但不是越大越好，故選項(xiàng)D錯(cuò)誤．(2)根據(jù)逐差法得a＝eq\f(x6＋x5＋x4－x3－x2－x1,9T2)≈0.34m/s2.(3)由圖線①可知，當(dāng)F＝0時(shí)，a≠0，也就是說當(dāng)細(xì)線上沒有拉力時(shí)小車就有加速度，所以圖線①是軌道傾斜情況下得到的，根據(jù)F＝ma得a-F圖象的斜率k＝eq\f(1,m)，由a-F圖象得圖象斜率k＝2，所以m＝0.5kg.命題點(diǎn)精析（二）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和誤差分析例2用圖甲所示裝置探究物體的加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)調(diào)節(jié)滑輪高度，使滑輪和小車間的細(xì)線與木板平行，已經(jīng)平衡了摩擦力。g＝9.8m/s2。(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)保持小車(含車中砝碼)的質(zhì)量M不變，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測出小車運(yùn)動(dòng)的加速度a。圖乙為懸掛一個(gè)鉤碼后實(shí)驗(yàn)中打出紙帶的一部分，從比較清晰的點(diǎn)跡起，在紙帶上標(biāo)出連續(xù)的5個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E，相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間都有4個(gè)點(diǎn)跡未標(biāo)出，測得各計(jì)數(shù)點(diǎn)到A點(diǎn)間的距離如圖乙所示。已知所用電源的頻率為50Hz，則小車的加速度大小a＝________m/s2。若懸掛鉤碼的質(zhì)量為50g，把懸掛的鉤碼和小車(含車中砝碼)看成一個(gè)整體，則小車(含車中砝碼)的質(zhì)量M＝________kg。(結(jié)果均保留2位有效數(shù)字)(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)保持懸掛鉤碼的質(zhì)量m不變，在小車上增加砝碼，改變小車的質(zhì)量，得到對(duì)應(yīng)的加速度，若用加速度作為縱軸，小車(含車中砝碼)的質(zhì)量用M表示，為得到線性圖像，則橫軸代表的物理量為________。A．小車(含車中砝碼)的質(zhì)量MB．小車(含車中砝碼)的質(zhì)量與懸掛鉤碼的質(zhì)量之和m＋MC．小車(含車中砝碼)的質(zhì)量與懸掛鉤碼的質(zhì)量之和的倒數(shù)eq\f(1,m＋M)D．懸掛鉤碼質(zhì)量的倒數(shù)eq\f(1,m)【答案】(1)0.930.48(2)C【解析】(1)已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源頻率為50Hz，則紙帶上相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T＝5×0.02s＝0.1s根據(jù)Δx＝aT2可得xCE－xAC＝a(2T)2小車運(yùn)動(dòng)的加速度為a＝eq\f(xCE－xAC,4T2)＝eq\f(0.1636－0.0632－0.0632,0.04)m/s2＝0.93m/s2即小車的加速度大小為0.93m/s2。根據(jù)牛頓第二定律可得mg＝(M＋m)a代入數(shù)據(jù)解得M≈0.48kg即小車的質(zhì)量為0.48kg。(2)根據(jù)牛頓第二定律可得mg＝(M＋m)a解得a＝eq\f(1,M＋m)mg故為了得到線性圖像應(yīng)作a－eq\f(1,M＋m)圖像，故C符合題意，A、B、D不符合題意。練3某物理課外小組利用圖甲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(shí)驗(yàn)臺(tái)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(shí)驗(yàn)中可用的鉤碼共有N＝5個(gè)，每個(gè)質(zhì)量均為0.010kg.實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)將5個(gè)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(gè)鉤碼掛在輕繩右端，其余N－n個(gè)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(shí)用傳感器記錄小車在時(shí)刻t相對(duì)于其起始位置的位移s，繪制s-t圖象，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度a.(3)對(duì)應(yīng)于不同的n的a值見下表．n＝2時(shí)的s-t圖象如圖乙所示；由圖乙求出此時(shí)小車的加速度(保留2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)在圖丙中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn)，并作出a-n圖象．從圖象可以看出：當(dāng)物體質(zhì)量一定時(shí)，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2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(xiàng)前的標(biāo)號(hào))．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(diǎn)C．a(chǎn)-n圖線仍是直線，但該直線的斜率變大【答案】(3)0.39(4)見解析圖(5)0.44(6)BC【解析】(3)根據(jù)題圖乙可知，當(dāng)t＝2.00s時(shí)，位移s＝0.78m，由s＝eq\f(1,2)at2，得加速度a＝eq\f(2s,t2)＝0.39m/s2.(4)描點(diǎn)及圖象如圖所示．(5)由(4)圖象求得斜率k＝0.20m/s2.由牛頓第二定律得nm0g＝(m＋Nm0)a，整理得a＝eq\f(m0g,m＋Nm0)n，即k＝eq\f(m0g,m＋Nm0)，代入數(shù)據(jù)得m＝0.44kg.(6)若保持木板水平，則所掛鉤碼總重力與小車所受摩擦力的合力提供加速度，即nm0g－μ[m＋(N－n)m0]g＝(m＋Nm0)a，整理得a＝eq\f(1＋μm0g,m＋Nm0)n－μg，可見a-n圖線仍是直線，但不過原點(diǎn)，且斜率變大，選項(xiàng)B、C正確．核心素養(yǎng)大提升創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖創(chuàng)新/改進(jìn)點(diǎn)(1)實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)：系統(tǒng)總質(zhì)量不變化，改變拉力得到若干組數(shù)據(jù)(2)用傳感器記錄小車的時(shí)間t與位移x，直接繪制x－t圖像(3)利用牛頓第二定律求解實(shí)驗(yàn)中的某些參量，確定某些規(guī)律(1)用傳感器與計(jì)算機(jī)相連，直接得出小車的加速度(2)圖像法處理數(shù)據(jù)時(shí)，用鉤碼的質(zhì)量m代替合力F，即用a－m圖像代替a－F圖像續(xù)表實(shí)驗(yàn)裝置圖創(chuàng)新/改進(jìn)點(diǎn)(1)用光電門代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，遮光條結(jié)合光電門測得物塊的初速度和末速度，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出加速度(2)結(jié)合牛頓第二定律，該裝置可以測出動(dòng)摩擦因數(shù)彈簧測力計(jì)測量小車所受的拉力，鉤碼的質(zhì)量不需要遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，更無須測鉤碼的質(zhì)量(1)氣墊導(dǎo)軌代替長木板，無須平衡摩擦力(2)力傳感器測量滑塊所受的拉力，鉤碼的質(zhì)量不需要遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量，更無須測鉤碼的質(zhì)量(3)用光電門代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，遮光條結(jié)合光電門測得滑塊的末速度，由刻度尺讀出遮光條中心初始位置與光電門之間的距離，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出加速度例3某實(shí)驗(yàn)小組用DIS來研究物體加速度與質(zhì)量的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)裝置如圖甲所示。其中小車和位移傳感器的總質(zhì)量為M，所掛鉤碼總質(zhì)量為m，小車和定滑輪之間的繩子與軌道平面平行，不計(jì)輕繩與滑輪之間的摩擦及空氣阻力，重力加速度為g。(1)若已平衡摩擦力，在小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)過程中，繩子中的拉力大小FT＝________(用題中所給已知物理量符號(hào)來表示)；當(dāng)小車的總質(zhì)量M和所掛鉤碼的質(zhì)量m之間滿足________時(shí)，才可以認(rèn)為繩子對(duì)小車的拉力大小等于所掛鉤碼的重力；(2)保持鉤碼的質(zhì)量不變，改變小車的質(zhì)量，某同