1、高考资源网（） 您身边的高考专家实验4探究加速度与物体受力、物体质量的关系必备知识预案自诊一、实验目的1.学会用控制变量法研究物理量的关系。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。二、实验器材打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码。三、实验思路(一)控制变量法的应用将小车置于水平木板上,通过滑轮与小盘和砝码相连,小车可以在小盘和砝码的牵引下运动。1.保持小车质量不变,研究加速度与力的关系。2.保持小车所受的拉力不变,研究加速度与质量的关系。(二)物理量的测量1.用天平测量质量:为了改变小车的质量,
2、可以在小车中增减砝码的数量。2.将打点计时器的纸带连在小车上,根据纸带上打出的点来测量加速度。3.现实中,仅受一个力作用的物体几乎不存在。然而,一个单独的力的作用效果与跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的。因此,实验中作用力F的含义可以是物体所受的合力。用阻力补偿法确定小车受到的合力小盘和砝码的牵引力。四、进行实验1.称量质量用天平测量小盘和小车的质量。2.安装器材按如图所示装置安装器材(暂时不把悬挂小盘的细绳系在小车上)。3.阻力补偿法平衡摩擦及其他阻力在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块,反复移动薄木块的位置,直至小车能拉着纸带匀速下滑。4.测量加速度(1)保持小车的质量不变
3、,打出一条纸带。计算小盘和砝码的重力,由纸带计算出小车的加速度,并填入表中。改变小盘内砝码的个数,并多做几次实验。(2)保持小盘内的砝码个数不变,在小车上放上砝码改变小车的质量,让小车在木板上滑动打出纸带。计算砝码和小车的总质量,并由纸带计算出小车对应的加速度,填入表中。改变小车上砝码的个数,多做几次实验。五、数据分析1.利用x=aT2及逐差法求a。2.以a为纵坐标,F为横坐标,根据各组数据描点,如果这些点在一条过原点的直线上,说明a与F成正比。3.以a为纵坐标,1m为横坐标,描点、连线,如果该线为过原点的直线,就能判定a与m成反比。六、误差分析1.实验原理不完善:本实验用小盘和砝码的总重力代
4、替小车的拉力,而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。2.摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。七、其他方案概述方案:通过位移之比测量加速度之比如图所示,将两辆相同的小车放在水平木板上,前端各系一条细线,线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘中可以放不同的重物。把木板一端垫高,参考方案1的方法补偿阻力的影响,两小车后端各系一条细线,用一个物体,例如黑板擦,把两条细线同时按压在木板上。抬起黑板擦,两小车同时开始运动,按下黑板擦,两小车同时停下来。用刻度尺测出两小车移动的位移x1、x2。由于两小车运动时间t相同,从它们的位移之比就可以
5、得出加速度之比。完成上述实验后,在盘中重物相同的情况下,通过增减小车中的重物改变小车的质量,再进行实验。关键能力学案突破考点一教材原型实验【典例1】在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,两位同学设计了不同的实验方案。(1)小李同学采用图甲的实验装置进行实验。为了使小车所受的拉力可认为与槽码所受的重力相等,应满足的条件是;用阻力补偿法消除阻力影响的正确操作是;(选填“A”或“B”)A.把木板不带定滑轮的一侧抬高,调节木板的倾斜角度,直至小车在不受牵引力时能拖动纸带开始运动B.把木板不带定滑轮的一侧抬高,调节木板的倾斜角度,轻推小车,使小车在不受牵引力时能拖动纸带沿木板匀速运动图乙是小李同学某
6、次实验得到的纸带,两计数点间有四个点未画出,部分实验数据如图所示,所用交变电流的频率为50 Hz。则小车的加速度为 m/s2。(结果保留2位有效数字)(2)小张同学采用图丙的实验装置进行实验(丁为俯视图)。将两个相同的小车放在水平木板上,前端各系一条细绳,细绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘中放上不同的重物。两个小车后各系一条细线,用夹子把两条细线同时夹住,使小车静止。打开夹子,两个小车同时开始运动,合上夹子,两个小车同时停下来。只需要测量两小车的位移及两小盘和盘中重物的总质量,即可探究加速度与合外力的关系。小张同学的实验方案中进行阻力补偿。(选填“需要”或“不需要”)一次实验中,用刻度尺测
7、量两个小车的位移x1和x2,已知小盘和盘中重物的总质量分别为m1和m2,为了验证加速度与合外力成正比,只需验证表达式成立(用x1、x2、m1、m2表示)。考点二实验拓展创新以本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器和实验数据的处理设置题目,或者通过实验原理的拓展来设置题目。一、实验器材的改进气垫导轨(不用平衡摩擦力)长木板二、数据测量的改进三、实验的拓展延伸以验证牛顿运动定律为背景测量物块与木板间的动摩擦因数。【典例2】某物理课外小组利用图(a)中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。图中,置于实验台上的长木板水平放置,其右端固定一轻滑轮;轻绳跨过滑轮,一端与放在木板上的小滑车相连,另
8、一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有N=5个,每个质量均为0.010 kg。实验步骤如下:图(a)(1)将5个钩码全部放入小车中,在长木板左下方垫上适当厚度的小物块,使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑。(2)将n(依次取n=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余N-n个钩码仍留在小车内;用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车,同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s,绘制s-t图像,经数据处理后可得到相应的加速度a。(3)对应于不同的n的a值见下表。n=2时的s-t图像如图(b)所示:由图(b)求出此时小车的加速度(保留2位有效数字),将结果填入下表。n12345a/(
9、ms-2)0.200.580.781.00(4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点,并作出a-n图像。从图像可以看出:当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力成正比。图(b)图(c)(5)利用a-n图像求得小车(空载)的质量为 kg(保留2位有效数字,重力加速度g取9.8 ms-2)。(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1),下列说法正确的是(填入正确选项前的标号)。A.a-n图线不再是直线B.a-n图线仍是直线,但该直线不过原点C.a-n图线仍是直线,但该直线的斜率变大思维点拨此实验与教材中实验对比,研究对象一样吗?对应演练迁移应用1.(2021江西景德镇一中高三月考)“用DIS研
10、究加速度与力的关系”的实验装置如图甲所示,实验中用所挂钩码的重量作为细线对小车的拉力F,通过增加钩码的数量,多次测量,可得小车运动的加速度a和所受拉力F的关系图像。在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验,得到了两条a-F图线,如图乙所示。(1)图线(选填“”或“”)是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的。(2)在轨道为斜面情况下,轨道倾斜的角度为=37,则小车与轨道面的动摩擦因数=(已知sin 37=0.6,cos 37=0.8)。(3)在轨道水平时,小车运动的阻力F1=N。(4)图乙中,拉力F较大时,a-F图线明显弯曲,产生误差,为避免此误差可采取的措施是(填选项字母)A.调整轨道的倾角,在
11、未挂钩码时使小车能在轨道上匀速运动B.增加钩码数量的同时在小车上增加砝码,使钩码的总质量始终远小于小车的总质量C.将无线力传感器捆绑在小车上,再将细线连在力传感器上,用力传感器读数代替钩码的重力D.更换实验中使用的钩码规格,采用质量较小的钩码进行上述实验2.(2020北京高三学业考试)为了探究物体质量一定时加速度与力的关系,甲、乙两同学设计了如图所示的实验装置。其中M为小车的质量,m为砂和砂桶的质量,m0为动滑轮的质量。力传感器可测出轻绳中的拉力大小。(1)(多选)实验时,一定要进行的操作是。A.用天平测出砂和砂桶的质量B.将带滑轮的长木板右端垫高,以平衡摩擦力C.小车靠近打点计时器,先接通电
12、源,再释放小车,打出一条纸带,同时记录力传感器的示数D.为减小误差,实验中一定要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M(2)甲同学在实验中得到如图所示的一条纸带(两计数点间还有四个点没有画出),已知打点计时器采用的是频率为50 Hz的交变电流,根据纸带可求出小车的加速度为 m/s2(结果保留3位有效数字)。(3)甲同学以力传感器的示数F为横坐标,加速度a为纵坐标,画出的a-F图像是一条直线,图线与横坐标的夹角为,求得图线的斜率为k,则小车的质量为。A.1tanB.2tan-m0C.2k-m0D.2k(4)乙同学根据测量数据作出如图所示的a-F图线,该同学做实验时存在的问题是。3.(2020黑龙
13、江双鸭山一中高三模拟)为了“验证牛顿第二定律”,某同学设计了如下实验方案:甲A.实验装置如图甲所示,一端系在滑块上的轻质细绳通过转轴光滑的轻质滑轮,另一端挂一质量为m=0.5 kg的钩码。用垫块将长木板附定滑轮的一端垫起,调整长木板的倾角,直至轻推滑块后,滑块沿长木板向下做匀速直线运动;B.保持长木板的倾角不变,取下细绳和钩码,连接纸带,接通打点计时器的电源,然后让滑块沿长木板滑下,打点计时器打下的纸带如图乙所示。乙请回答下列问题:(1)图乙中纸带的端与滑块相连(选填“左”或“右”)。(2)图乙中相邻两个计数点之间还有4个点未画出,打点计时器接频率为50 Hz的交流电源,根据图乙求出滑块的加速
14、度a=m/s2。(3)不计纸带与打点计时器间的阻力,滑块的质量M= kg(g取9.8 m/s2,结果保留3位有效数字)。4.某学习小组利用甲图中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系,图中长木板水平放置,其左端固定一轻滑轮。轻绳跨过滑轮,一端与放在木板上的小车相连,另一端可悬挂钩码,本实验中可用的钩码共有N个。已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz,每个钩码的质量为m0,小车的质量为M,重力加速度取g。实验要点如下:(1)实验开始时平衡摩擦力。在长木板右下方垫上适当厚度的小物块,反复调节垫高,使小车在木板上恰好做。(2)将n(依次取n=1,2,3,4)个钩码挂在左端,其余N-n个钩码放
15、在小车内,用手按住小车并使轻绳与木板平行,打开电源,释放小车,获得一条清晰的纸带,经数据处理后可得到相应的加速度a。(3)图乙为某次实验得到的纸带,从刻度尺可读出s3=mm,利用读得的实验数据s1、s3计算出小车的加速度a=m/s2(保留2位有效数字)。(4)本次实验中,小段同学认为:不需要满足“小车质量远大于所挂钩码质量”这样的条件。他的观点正确吗?答:(选填“正确”或“不正确”)。(5)丙图是利用不同n对应不同a作出的a-n图像。从图像可以看出:当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力成;如果丙图中图线斜率为k,通过理论分析可知本实验中可用的钩码共有个数N=。(用题中字母表示)实验4
16、探究加速度与物体受力、物体质量的关系关键能力学案突破典例1答案(1)槽码的质量远小于小车的质量B0.52或0.53(2)需要x1x2=m1m2解析(1)为了使小车所受的拉力可认为与槽码所受的重力相等,应满足的条件是槽码的质量远小于小车的质量;用阻力补偿法消除阻力影响的正确操作是平衡摩擦力,即把木板不带定滑轮的一侧抬高,调节木板的倾斜角度,轻推小车,使小车在不受牵引力时能拖动纸带沿木板匀速运动,故选B。两计数点间有四个点未画出,则T=0.1s,根据x=aT2可得加速度a=(7.75+7.22-6.70-6.19)10-240.12m/s2=0.52m/s2(2)小张同学的实验方案中,为了使得盘及
17、盘中重物的重力等于小车的牵引力,也需要进行阻力补偿,即平衡摩擦力;两小车运动的时间相等,根据x=12at2可知,加速度之比等于位移之比,即a1a2=x1x2由于小盘和盘中重物的总重力等于小车的拉力,即F=mg,则要验证加速度与合外力成正比,即验证F1F2=a1a2而F1F2=m1m2=a1a2=x1x2则只需验证表达式x1x2=m1m2成立。典例2答案(3)0.40(0.370.49均对)(4)a-n图线见解析(5)0.45(在0.43和0.47范围内都给分)(6)BC解析(3)小滑车释放后做初速度为零的匀加速直线运动满足x=12at2由题图(b)知,当x=0.8m时,t=2.00s,代入式解
18、得a=0.40m/s2(4)描点作图a-n图线如图:(5)对钩码与小滑车组成的系统有nmg=(m+5m)a代入数据解得a=mgm+5mn=0.1Nm+0.05kgn由图像知k=15,故0.1m+0.05=15,解得m=0.45kg。(6)若木板保持水平,则对系统由牛顿第二定律得nmg-m+(N-n)mg=(m+Nm)aa=(1+)mgm+Nmn-g=(1+)mgm+5mn-g。由此知图线不过原点,且斜率增大,故B、C选项正确。对点演练1.答案(1)(2)0.5(3)0.5(4)C解析(1)由图像可知,当F=0时,a0。也就是说当绳子上没有拉力时小车就有加速度,所以图线是在轨道右侧抬高成为斜面情
19、况下得到的。(2)根据图像F=0时,a=2m/s2,根据牛顿第二定律mgsin37-mgcos37=ma即a=gsin37-gcos37解得=0.5(3)图线是在轨道水平时做的实验,由图像可知:当拉力等于0.5N时,加速度恰好为零,即刚好拉动小车,此时F1=F=0.5N(4)随着钩码的数量增大到一定程度时图乙的图线明显偏离直线,造成此误差的主要原因是所挂钩码的总质量太大,而实验时用钩码所受重力作为小车所受的拉力,所以消除此误差可采取的简便且有效的措施是测量出小车所受的拉力,即在钩码与细绳之间放置一力传感器,得到力F的数值,再作出小车运动的加速度a和力传感器读数F的关系图像,故选C。2.答案(1
20、)BC(2)2.00(3)C(4)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够解析(1)本题拉力可以由传感器测出,不需要用天平测出砂和砂桶的质量,也就不需要使小桶(包括砂)的质量远小于车的总质量,故A、D错误;实验时需将长木板右端垫高,以平衡摩擦力,故B正确;实验时,小车应靠近打点计时器,先接通电源,再释放小车,需记录传感器的示数,故C正确。(2)根据x=aT2,运用逐差法得a=x36-x039T2=(7.10+9.13+11.09-1.10-3.09-5.12)10-290.01m/s2=2.00m/s2。(3)由牛顿第二定律得2F=ma,则a=2mF,a-F图像的斜率k=2m,则小车的质量m=m-m0=
21、2k-m0,故C正确。(4)当F不等于零,加速度a仍然为零,可知实验中没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够。3.答案(1)右(2)1.65(3)2.97解析(1)因为打点计时器每隔0.02s打一个点,两个计数点之间还有4个打点未画出,所以两个计数点的时间间隔为T=0.1s,时间间隔是定值,滑块拖动纸带下滑的运动过程中,速度越来越快,所以相等时间内运动的位移越来越大。所以图乙中纸带的右端与滑块相连;(2)根据x=aT2利用逐差法,有:a=0.079+0.0625-0.046-0.029540.12=1.65m/s2。(3)由A步骤可知,取下细绳和钩码后,滑块受到的合外力为:F=0.59.8=4.9N根
22、据牛顿第二定律得M=Fa=4.91.65kg=2.97kg。4.答案(1)匀速直线运动(3)47.01.1(4)正确(5)正比gk-Mm0解析(1)平衡摩擦力时,在长木板右下方垫上适当厚度的小物块,反复调节垫高,使小车在木板上恰好做匀速直线运动。(3)从刻度尺可读出,B点读数为73.0mm,C点读数为120.0mm,因此可得s3=120.0mm-73.0mm=47.0mm同理可得出s1=37.0mm-12.5mm=24.5mm小车做匀变速直线运动,根据s3-s1=2aT2解得a=s3-s12T2=1.1m/s2(4)观点正确。由于当小车和钩码(含车上放置和细绳末端所挂的所有钩码)的总质量一定,所以小车的加速度a与细绳末端所挂钩码的重力F始终成正比,不需要满足钩码的质量远小于小车的质量,因此小段同学的观点正确。(5)把小车及所有钩码看成一个系统,根据牛顿第二定律nm0g=(Nm0+M)a整理得a=m0gNm0+Mn从a-n图像可以看出,图像为经过原点一条直线,说明当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力成正比。图像斜率k=m0gNm0+M解得N=gk-Mm0- 11 - 版权所有高考资源网
