【步步高】2020年高考物理大一輪 實驗四 探究加速度與力、質量的關系 新人教版必修1

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1、實驗四　探究加速度與力、質量的關系 一、實驗目的 1．學會用控制變量法研究物理規(guī)律． 2．驗證牛頓第二定律． 3．掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法． 二、實驗原理 探究加速度a與力F及質量m的關系時，應用的基本方法是控制變量法，即先控制一個參量——小車的質量m不變，討論加速度a與力F的關系，再控制小盤和砝碼的質量不變，即力F不變，改變小車質量m，討論加速度a與m的關系． 三、實驗器材 打點計時器、紙帶、復寫紙、小車、一端附有定滑輪的長木板、小盤、夾子、細繩、低壓交流電源、導線、天平、刻度尺、砝碼． 四、實驗步驟 1．用天平測出小車和盛有砝碼的小盤的質量m和m′. 2．安裝

2、實驗器材(如圖1所示)． 圖1 3．平衡摩擦力． 4．小盤繞過滑輪系于小車上，先通電源后放開小車，取下紙帶編號碼． 5．保持小車的質量m不變，改變砝碼和小盤的質量m′，重復步驟4. 6．在每條紙帶上選取一段比較理想的部分，測加速度a. 7．作a－F的圖象，描點作圖，若這些點在一條直線上，證明了加速度與力成正比． 8．保持砝碼和小盤的質量m′不變，改變小車質量m，重復步驟4和6，作a－圖象，若圖象為一直線，則證明加速度與質量成反比． 五、實驗數(shù)據(jù)的處理方法——圖象法、化曲為直的方法 1．探究加速度與力的關系 以加速度a為縱坐標，以F為橫坐標，根據(jù)測量的數(shù)據(jù)描點，然后作出圖

3、象，看圖象是否是通過原點的直線，就能判斷a與F是否成正比． 2．探究加速度與質量的關系 以a為縱坐標、m為橫坐標，根據(jù)各組數(shù)據(jù)在坐標系中描點，將會得到如圖2甲所示的一條曲線．由圖線只能看出m增大時a減小，但a與m具體是什么關系，不能得出．若以a為縱坐標，為橫坐標，將會得到如圖乙所示的一條過原點的傾斜直線，據(jù)此可判斷a與m成反比． 圖2 3．方法總結 利用圖象處理數(shù)據(jù)是物理實驗中常用的重要方法．在實驗中如果發(fā)現(xiàn)一個量x與另一個量y成反比，那么，x就應與成正比．因為在處理數(shù)據(jù)時，判斷正比例函數(shù)圖象比判斷一條曲線是否為反比例函數(shù)圖象要簡單和直觀得多，所以可以將反比例函數(shù)的曲線轉化為正比

4、例函數(shù)的直線進行處理． 六、注意事項 1．平衡摩擦力：一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是調出一個合適的斜面，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受的摩擦阻力．在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細線系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著打點的紙帶運動． 2．不重復平衡摩擦力：實驗步驟2、3不需要重復，即整個實驗平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤和砝碼的總質量還是改變小車的質量，都不需要重新平衡摩擦力． 3．實驗條件：每條紙帶必須在滿足小車的質量遠大于小盤和砝碼的總質量的條件下打出．只有如此，小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力． 4．一先一后：改變拉力和小車質量后

5、，每次開始時小車應盡量靠近打點計時器，并應先接通電源，再釋放小車． 記憶口訣 平衡摩擦紙帶掛，小車板上勻速滑； 若要盤碼當拉力，其重與車不可比； 先通電源后放車，紙帶應選易于測； 曲線化直好思想，作圖比例要適當. 例1　某實驗小組在“探究加速度與物體受力的關系”實 驗中，設計出如下的實驗方案，其實驗裝置如圖3所 示．已知小車質量M＝214.6 g，砝碼盤質量m0＝7.8 g， 所使用的打點計時器交流電頻率f＝50 Hz.其實驗步驟 是： A．按圖中所示安裝好實驗裝置； 圖3 B．調節(jié)長木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長木 板向下做勻速運動； C．取下細繩

6、和砝碼盤，記下砝碼盤中砝碼的質量m； D．先接通電源，再放開小車，打出一條紙帶，由紙帶求得小車的加速度a； E．重新掛上細繩和砝碼盤，改變砝碼盤中砝碼的質量，重復B－D步驟，求得小車在不同合外力F作用下的加速度． 回答下列問題： (1)按上述方案做實驗，是否要求砝碼和砝碼盤的總質量遠小于小車的質量？________(填“是”或“否”)． (2)實驗中打出的其中一條紙帶如圖4所示，由該紙帶可求得小車的加速度a＝________ m/s2. 圖4 (3)某同學將有關測量數(shù)據(jù)填入他所設計的表格中，如下表， 次數(shù) 1 2 3 4 5 砝碼盤中砝碼 的重力F/N 0.

7、10 0.20 0.29 0.39 0.49 小車的加速度 a/(m·s－2) 0.88 1.44 1.84 2.38 2.89 他根據(jù)表中的數(shù)據(jù)畫出a－F圖象(如圖5)．造成圖線不過坐標原點的一條最主要原因是_ _______________________________________________________________________， 從該圖線延長線與橫軸的交點可求出的物理量是________________________，其大小為________． 圖5 例2　某實驗小組利用如圖6所示的實驗裝置來探究當合外力一定時，物體運動的加速度與

8、其質量之間的關系． 圖6 (1) 由圖中刻度尺讀出兩個光電門中心之間的距離x＝24 cm，由圖7中游標卡尺測得遮光條的寬度d＝________ cm.該實驗小組在做實驗時，將滑塊從如圖6所示位置由靜止釋放，由數(shù)字計時器可圖7 以讀出遮光條通過光電門1的時間Δt1，遮光條通過光電門2的時間Δt2，則滑塊經過光電門1時的瞬時速度 的表達式v1＝________，滑塊經過光電門2時的瞬時速度的表達式v2＝ ________，則滑塊的加速度的表達式a＝________.(以上表達式均用字母表示) (2)在本次實驗中，實驗小組通過改變滑塊質量總共做了6組實驗，得到如表所示的實驗數(shù)據(jù)．通

9、過分析表中數(shù)據(jù)后，你得出的結論是_____________________________. m(g) a(m·s－2) 250 2.02 300 1.65 350 1.33 400 1.25 500 1.00 800 0.63 (3)現(xiàn)需通過圖象進一步驗證你的結論，請利用表格數(shù)據(jù)，在如圖8所示坐標系中描點作出相應圖象． 圖8 　　　　　　　　　9.近似法、控制變量法、平衡 摩擦力法和化曲為直法 圖9 例3　某同學設計了一個“探究加速度a與物體所受合力F及質 量m的關系”實驗．如圖9為實驗裝置簡圖，A為小車，B為 電火花計時器，C為裝有砝

10、碼的小盤，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拉力F等于砝碼和小盤的 總重力，小車運動加速度a可用紙帶上的打點求得． 圖10 (1)圖10為某次實驗得到的紙帶，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為________ m/s2.(保留兩位有效數(shù)字) (2)在“探究加速度與質量的關系”時，保持砝碼和小盤質量不變，改變小車質量m，分別得到小車加速度a與質量m的數(shù)據(jù)如下表： 實驗次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 小車加速度 a/(m·s－2) 1.98 1.72 1.48 1.25 1.00 0.75 0.48 0.50

11、0.30 小車質量 m/kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 0.75 1.00 1.67 根據(jù)上表數(shù)據(jù)，為直觀反映F不變時a與m的關系，請在圖11的方格坐標紙中選擇恰當物理量建立坐標系，并作出圖線．(如有需要，可利用上表中的空格數(shù)據(jù)) 圖11 (3)在“探究加速度與力的關系”時，保持小車的質量不變，改變小盤中砝碼的質量，該同學根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出了加速度a與合力F的關系圖線如圖12所示，該圖線不通過坐標原點，試分析圖線不通過坐標原點的原因． 圖12 答：______________________________________

12、__________________________________. 例4　為了探究加速度與力的關系，使用如圖13所示的氣墊導軌裝置進行實驗．其中G1、G2為兩個光電門，它們與數(shù)字計時器相連，當滑行器通過G1、G2光電門時，光束被遮擋的時間Δt1、Δt2都可以被測量并記錄．滑行器連同上面固定的一條形擋光片的總質量為M，擋光片寬度為D，光電門間距離為s，牽引砝碼的質量為m.回答下列問題： 圖13 (1)實驗開始應先調節(jié)氣墊導軌下面的螺釘，使氣墊導軌水平，在不增加其他儀器的情況下，如何判定調節(jié)是否到位？ 答：______________________________________

13、__________________________________. 　(2)若取M＝0.4 kg，改變m的值進行多次實驗，以下m的取值不合適的一個是________． A．m＝5 g B．m＝15 g C．m＝40 g D．m＝400 g (3)在此實驗中，需要測得每一個牽引力對應的加速度，其中求得的加速度的表達式為：____________.(用Δt1、Δt2、D、s表示) 方法提煉　在驗證牛頓第二定律實驗中，近似法是指繩對小車的拉力近似等于繩另一端

14、連接的小盤和砝碼的總重力，近似法要在小盤和砝碼的總重力遠小于小車的重力的情況下才能用．控制變量法是指分別研究加速度與力、加速度與質量關系時用到的方法，在實驗中的具體體現(xiàn)是：研究加速度與力的關系時，保持小車質量不變；研究加速度與質量的關系時，保持小盤和砝碼的總重力不變．平衡摩擦力法是指通過調整斜面傾角，讓小車重力沿斜面的分力與摩擦力抵消，使小車受到的合外力等于繩對小車的拉力，體現(xiàn)在實驗中是讓小車不掛小盤時能在斜面上勻速運動．化曲為直法是指處理數(shù)據(jù)時，不作a－m圖象而作a－圖象，反映在圖象中就是把原來的曲線變成傾斜的直線． 跟蹤訓練　在探究加速度與力、質量的關系活動中，某小組設計了如圖14所示的

15、實驗裝置．圖中上下兩層水平軌道表面光滑，兩小車前端系上細線，細線跨過滑輪并掛上砝碼盤，兩小車尾部細線連到控制裝置上，實驗時通過控制裝置使兩小車同時開始運動，然后同時停止． 圖14 (1)在安裝實驗裝置時，應調整滑輪的高度，使____________________；同時軌道應適當__________，使小車在不掛砝碼盤時恰好在軌道上做________，以平衡摩擦力． (2)在實驗時，為減小系統(tǒng)誤差，應使砝碼盤和砝碼的總質量__________小車的質量(選填“遠大于”、“遠小于”或“等于”)． (3)本實驗通過比較兩小車的位移來比較小車加速度的大小，能這樣比較，是因為_______

16、_________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. (4)要驗證加速度與力成正比時，應使__________相同且不變，而改變__________．要驗證 加速度與質量成反比時，應使__________相同且不變，而改變__________. 1．在利用打點計時器和小車來做“探究加速度與力、質量的關系”的實驗時，下列說法中正確的是

17、 (　　) A．平衡摩擦力時，應將砝碼盤及盤內砝碼通過定滑輪拴在小車上 B．連接砝碼盤和小車的細繩應跟長木板保持平行 C．平衡摩擦力后，長木板的位置不能移動 D．小車釋放前應靠近打點計時器，且應先接通電源再釋放小車 2．“探究加速度與力、質量的關系”的實驗，主要的步驟有： A．將一端附有定滑輪的長木板放在水平桌面上，取兩個質量相等的小車，放在光滑的水平長木板上 B．打開夾子，讓兩個小車同時從靜止開始運動，小車運動一段距離后，夾上夾子，讓它們同時停下來，用刻度尺分別測出兩個小車在這一段時

18、間內通過的位移大小 C．分析所得到的兩個小車在相同時間內通過的位移大小與小車所受的水平拉力的大小關系，從而得到質量相等的物體運動的加速度與物體所受作用力大小的關系 D．在小車的后端也分別系上細繩，用一只夾子夾住這兩根細繩 E．在小車的前端分別系上細繩，繩的另一端跨過定滑輪各掛一個小盤，盤內分別放著數(shù)目不等的砝碼，使砝碼盤和盤內砝碼的總質量遠小于小車的質量．分別用天平測出兩個砝碼盤和盤內砝碼的總質量 上述實驗步驟，正確的排列順序是________． 3．(2020·山東理綜·23(1)) 圖15 某同學設計了如圖15所示的裝置來探究加速度與力的關系．彈簧秤固定在一合適的木板上，

19、桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪，細繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水瓶連接．在桌面上畫出兩條平行線MN、PQ，并測出間距d.開始時將木板置于MN處，現(xiàn)緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開始運動為止，記下彈簧秤的示數(shù)F0，以此表示滑動摩擦力的大?。賹⒛景宸呕卦幉醋。^續(xù)向瓶中加水后，記下彈簧秤的示數(shù)F1，然后釋放木板，并用秒表記下木板運動到PQ處的時間t. ①木板的加速度可以用d、t表示為a＝________；為了減小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是(一種即可) ______________________________________________________.

20、 ②改變瓶中水的質量重復實驗，確定加速度a與彈簧秤示數(shù)F1的關系．下列圖象能表示該同學實驗結果的是 (　　) ③用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點是________． a．可以改變滑動摩擦力的大小 b．可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù) c．可以比較精確地測出摩擦力的大小 d．可以獲得更大的加速度以提高實驗精度 4．(2020·江蘇·11) 圖16 為了探究受到空氣阻力時，物體運動速度隨時間的變化規(guī)律，某同學采用了“加速度與物體質量、物體受力關系”的

21、實驗裝置(如圖16所示)．實驗時，平衡小車與木板之間的摩擦力后，在小車上安裝一薄板，以增大空氣對小車運動的阻力． (1)往砝碼盤中加入一小砝碼，在釋放小車________(選填“之前”或“之后”)接通打點計時器的電源，在紙帶上打出一系列的點． (2)從紙帶上選取若干計數(shù)點進行測量，得出各計數(shù)點的時間t與速度v的數(shù)據(jù)如下表： 時間t/s 0 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 速度v/(m·s－1) 0.12 0.19 0.23 0.26 0.28 0.29 請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在圖17中作出小車的v－t圖象． 圖17 (2) 通過對實驗結果的分

22、析，該同學認為：隨著運動速度的增加，小車所受的空氣阻力將變大，你是否同意他的觀點？請根據(jù)v－t圖象簡要闡述理由． 答案 課堂探究 例1　(1)否　(2)0.88　(3)在計算小車所受的合外力時未計入砝碼盤的重力(只要涉及“未考慮砝碼盤的因素”就算正確)　砝碼盤的重力　0.08 N (0.07～0.08 N均正確) 例2　(1)0.52　　 　(2)(3)見解析 解析　(3)如圖所示 例3　(1)3.2　(2)見解析　(3)實驗前未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分 解析　(2)從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著質量的增大，加速度逐漸減?。愠龅闹?，從左到右依次是：4.00　3.45　3.0

23、3　2.50　2.00 1．41　1.33　1.00　0.60 以橫坐標表示，以縱坐標表示加速度a，描點，可以看到多數(shù)點在一條直線上，只有(1.33,0.48)偏離直線較遠，舍去此點，作出圖象如圖所示． 例4　(1)見解析　(2)D (3)a＝ 解析　(1)取下牽引砝碼，滑行器放在任意位置都不移動，或取下牽引砝碼，輕推滑行器M，數(shù)字計時器記錄每一個光電門的光束被遮擋的時間Δt都相等． 跟蹤訓練　(1)細線與軌道平行　傾斜　勻速運動　(2)遠小于　(3)兩小車從靜止開始做勻加速直線運動，且兩小車運動時間相等　(4)兩小車質量　砝碼盤中砝碼質量　砝碼盤中砝碼質量　兩小車質量 隨堂訓練 1．BCD　2.AEDBC 3．①　保持F1不變，重復實驗多次測量，求平均值?、赾?、踒c 4．(1)之前　(2)如圖所示 (3)同意．在v-t圖象中，速度越大時，加速度越小，小車受到的合力越小，則小車受空氣阻力越大．