新教材物理一轮总复习-第三章牛顿运动定律实验四探究加速度与物体受力物体质量的关系学案.docx

实验四探究加速度与物体受力、物体质量的关系【素养目标】1.理解实验的原理，明确实验过程并能进行数据处理.2.了解实验的注意事项，会对实验进行误差分析.3.能对实验进行创新改进必备知识·自主落实一、基本思路与操作装置图和思路操作要领思路：(1)保持小车质量不变测得不同拉力下小车运动的加速度分析二者之间的定量关系(2)保持小车所受的拉力不变测得不同质量的小车运动的加速度分析二者的定量关系(1)测量：用天平测出小车和槽码的质量分别为M0、m0，并把数值记录下来(2)安装实验器材：将小车置于带有定滑轮的木板上，将纸带穿过打点计时器后挂在小车尾部(3)平衡摩擦力：用薄垫块将一端垫高，平衡摩擦力(改变小车的质量或槽码的数量，无须重新平衡摩擦力)(4)悬挂槽码：在细线一端挂上槽码，另一端系在小车前端(5)收集纸带数据：先开启打点计时器，再释放小车，在纸带上打出一系列点(6)改变小车受力：保持小车的质量不变，通过增加槽码的数量改变小车受力(7)改变小车质量：保持槽码的数量(小车所受的拉力)不变，通过增加或减少小车上的砝码的方式，改变小车的质量二、数据处理和实验结论1利用xaT2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，如图甲所示，说明a与F成正比3以a为纵坐标，为横坐标，描点、连线，如果连线为过原点的直线，如图乙所示，就能判定a与M成反比注意事项(1)实验方法：控制变量法(2)必须使槽码质量远小于小车总质量，其目的是用槽码重力替代小车所受的拉力(3)平衡摩擦力应注意以下两点：不系槽码连好纸带接通打点计时器，反复调节倾角，纸带上打出的点迹均匀分布时，说明已经平衡了摩擦力平衡摩擦力摩擦力如何被平衡垫高长木板远离滑轮的一端平衡摩擦力的目的用小车所受的拉力替代合力平衡摩擦力的原理mg sin Ff，改变小车的质量时，不需重新平衡摩擦力引起误差的原因(1)质量的测量、纸带上计数点间距离的测量、细绳或纸带不与木板平行等都会造成误差(2)实验原理不完善引起误差(3)平衡摩擦力不准确会造成误差关键能力·精准突破考点一教材原型实验例 1 2023·河北唐山高三模拟某同学用如图甲所示的实验装置来“探究a与F、m之间的定量关系”(1)实验时，必须先平衡小车与木板之间的摩擦力，该同学是这样操作的：如图乙，将小车静止地放在水平长木板上，并连着已穿过打点计时器的纸带，调整木板右端的高度，接通电源，用手轻推小车，让打点计时器在纸带上打出一系列_的点，说明小车已平衡摩擦力(2)如果该同学先如(1)中的操作，平衡了摩擦力设砂和砂桶的重力为F，在小车质量M保持不变的情况下，不断往桶里加砂，砂和砂桶的质量最终达到M，测小车加速度a，作出的a F图像正确的是_(3)下图是实验中得到的一条纸带，A、B、C、D、E、F、G为7个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有四个点未画出，量出相邻的计数点之间的距离分别为xAB4.22 cm，xBC4.65 cm，xCD5.08 cm，xDE5.49 cm，xEF5.91 cm，xFG6.34 cm，已知打点计时器的工作频率为50 Hz，则纸带上D点的速度vD_ m/s，小车的加速度a_ m/s2(结果均保留两位有效数字)(4)若打点计时器实际工作频率是48 Hz，而该同学不知情，则该同学算出来的加速度_真实值(填“大于”“等于”或“小于”)针 对 训 练1.2023·四川成都高三入学考试如图甲所示是某同学探究“小车加速度与力的关系”的实验装置，他将光电门固定在水平轨道上的B点，用不同重物通过细线拉同一小车，每次小车都从同一位置A由静止释放(1)若用游标卡尺测出遮光条的宽度d，如图乙所示，则宽度为_ mm，实验时将小车从图示位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间t，则小车经过光电门的速度为v_(用字母表示)(2)将重物的重力mg近似地当成小车所受的拉力F会给实验带来系统误差设小车所受拉力的真实值为F真，为了使系统误差<5%，小车的质量是M，则M与m应当满足的条件是<_22023·四川成都高三(下)测试在“探究加速度与力的关系”实验中，某小组设计了如图所示的实验装置图中上下两层前端固定有光滑滑轮，两相同小车前端各系一条细线，细线跨过定滑轮并挂上一个砝码盘，盘中可放砝码，小车所挂砝码和砝码盘的总质量是小车所挂砝码和砝码盘总质量的两倍，将砝码和砝码盘的总重作为小车所受合外力，两小车尾部各系一条细线连到控制装置上，实验时通过控制装置使两小车同时开始运动，按下装置两小车同时立即停止某次实验时小车的位移为s1，小车的位移为s2.(1)为了减小实验误差，下列说法正确的是()A实验之前将轨道倾斜来平衡摩擦力，平衡摩擦力时需要挂上砝码盘和砝码B实验之前将轨道倾斜来平衡摩擦力，平衡摩擦力时不需要挂上砝码盘和砝码C砝码盘和砝码的总质量应远大于小车的质量D砝码盘和砝码的总质量应远小于小车的质量(2)若实验测得小车位移近似是小车位移的两倍，则可得实验结论是：在质量一定的情况下，物体的加速度与所受到的合外力成_(填“正比”或“反比”)(3)由于实验中将砝码和砝码盘的总重力作为小车所受合外力的大小，因此s1和s2的大小关系是()A2s1>s2 B2s1s2C2s1<s2考点二探索创新实验考向1实验器材的创新例 2 为了探究物体质量一定时加速度与力的关系，某同学设计了如图甲所示的实验装置，其中M为小车的质量，m0为砂和砂桶的总质量一轻绳跨过轻质定滑轮和动滑轮一端连接沙桶，另一端连接力传感器，力传感器可测出轻绳中的拉力大小实验过程中，每次在释放小车前，先读出力传感器的示数并记为F.(1)实验过程中，下列操作正确的是_A调整长木板左端的定滑轮，使得轻绳与长木板平行B在不挂砂桶的前提下，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，先释放小车，再接通电源D为减小误差，实验中要保证砂和砂桶的总质量m0远小于小车的质量M(2)该同学在实验中得到如图丙所示的一条纸带(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的交流电，根据纸带可求出小车的加速度为_m/s2(结果保留两位有效数字)(3)该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，如图乙所示，图线与横坐标轴的夹角为，求得图线的斜率为k，则小车的质量为_A2tan BC D考向2实验方案的创新例 3 某物理兴趣小组用如图所示装置探究加速度与合外力关系已知当地重力加速度为g.(1)实验步骤如下：第1步：把长木板不带滑轮一端用铰链固定在水平桌面上，另一端用垫块垫起一定高度两光电门固定在木板上，且光电门1和2距离较远，光电门1距离小滑块(带遮光条)比较近第2步：通过调整砂桶内细砂的质量，直至给小滑块一个沿木板向下的初速度，小滑块匀速下滑，即观察到遮光条通过两光电门的时间_(填“相等”或“不相等”)为止第3步：去掉小砂桶，把小滑块紧挨小滑轮由静止释放，记录遮光片(遮光条宽度为d)通过光电门2的时间t，同时测量出砂桶(包括里面的细砂)质量m.第4步：改变垫块的位置，重复第2、3两步(2)在实验步骤第3步中，小滑块通过光电门的速度为_；去掉小砂桶，把小滑块紧挨小滑轮由静止释放后，小滑块所受到的合外力为_(用题中所给的字母表示)(3)设小滑块(包括遮光条)质量为M，小滑块释放点到光电门2距离为x，若关系式m_成立，可得质量一定时，加速度与合外力成正比考向3实验目的的创新例 42022·山东卷在天宫课堂中、我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验受此启发，某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材设计了测量物体质量的实验，如图甲所示主要步骤如下：将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，加速度传感器固定在滑块上；接通气源，放上滑块，调平气垫导轨；将弹簧左端连接力传感器，右端连接滑块弹簧处于原长时滑块左端位于O点，A点到O点的距离为5.00 cm，拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时；计算机采集获取数据，得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像，部分图像如图乙所示回答以下问题(结果均保留两位有效数字)：(1)弹簧的劲度系数为_ N/m.(2)该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据，画出aF图像如图丙中所示，由此可得滑块与加速度传感器的总质量为_kg.(3)该同学在滑块上增加待测物体，重复上述实验步骤，在图丙中画出新的aF图像，则待测物体的质量为_kg.针 对 训 练3.某班级同学用如图(1)所示的装置验证加速度a和力F、质量m的关系甲、乙两辆小车放在倾斜轨道上，小车甲上固定一个力传感器，小车乙上固定一个加速度传感器(可以测量乙在任意时刻的加速度大小)，力传感器和小车乙之间用一根不可伸长的细线连接，在弹簧拉力的作用下两辆小车一起开始运动利用两个传感器可以采集记录同一时刻小车乙受到的拉力和加速度的大小(1)下列关于实验装置和操作的说法中正确的是_A轨道倾斜是为了平衡小车甲受到的摩擦力B轨道倾斜是为了平衡小车乙受到的摩擦力C实验中，在小车乙向下运动的过程中均可采集数据D实验中，只需在小车乙加速运动的过程中采集数据(2)四个实验小组选用的小车乙(含加速度传感器)的质量分别为m10.5 kg、m21.0 kg、m31.5 kg和m42.0 kg，他们作出的a F图像如图(2)所示(3)在验证了a和F的关系后，为了进一步验证a和m的关系，可直接利用图(2)的四条图线收集数据，然后作图请写出具体的做法：如何收集数据？_；为了更直观地验证a和m的关系，建立的坐标系应以_为纵轴，以_为横轴实验四探究加速度与物体受力、物体质量的关系关键能力·精准突破例1解析：(1)若小车做匀速直线运动，此时打点计时器在纸带上打出一系列点迹均匀的点(2)如果这位同学先如(1)中的操作，已经平衡摩擦力，则刚开始a ­ F的图像是一条过原点的直线，不断往桶里加砂，砂和砂桶的质量最终达到M，不能满足砂和砂桶的质量远小于小车的质量，拉力比砂和砂桶的重力小，此时图像向下弯曲，故C正确，A、B、D错误(3)相邻计数点之间还有4个点未画出，则计数点间的时间间隔为t5×0.02 s0.1 s，D点的速度等于C、E间的平均速度，打D点的速度为vDm/s0.53 m/s，由匀变速直线运动的推论xat2可知加速度为a m/s20.42 m/s2.(4)因为交流电的实际频率为48 Hz，则代入计算的周期 s比实际的周期 s要小，则加速度的测量值偏大答案：(1)点迹均匀(2)C(3)0.530.42(4)大于1解析：(1)由图乙可得遮光条的宽度为d(1510×0.95) mm5.50 mm小车经过光电门的速度为v(2)因为拉力真实值为F真Ma对整体由牛顿第二定律得mg(mM)a又<5%，解得<0.05.答案：(1)5.50(2)0.052解析：(1)实验前需要平衡摩擦力，平衡摩擦力时，砝码盘不需要挂上，但小车必须挂上纸带，且纸带穿过打点计时器，将轨道倾斜来平衡摩擦力，故A项错误，B项正确若要将砝码和砝码盘的总重力作为小车所受合力，绳中拉力约等于砝码和砝码盘的总重力，需满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车质量，故C项错误，D项正确(2)两小车同时开始运动，并同时停止，两车运动的位移sat2，则有：位移与加速度成正比；实验测得小车位移近似是小车位移的两倍，小车加速度近似是小车加速度的两倍，则可得实验结论是：在质量一定的情况下，物体的加速度与所受到的合外力成正比(3)由于实验中将砝码和砝码盘的总重力作为小车所受合外力的大小，根据运动的位移公式sat2，结合牛顿第二定律Fma，因此s1和s2的大小关系是：2s1s2.故A、C项错误，B项正确答案：(1)BD(2)正比(3)B例2解析：(1)调整长木板左端的定滑轮，使得轻绳与长木板平行，使绳的拉力沿着小车运动方向，减小误差，A正确；在不挂砂桶的前提下，将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力，减小由摩擦力产生的误差，B正确；小车靠近打点计时器，先接通电源，打点稳定后再释放小车，C错误；只有实验中无法直接测量绳的拉力大小时，才需要使砂和砂桶的总质量m0远小于小车的质量M，本实验采用力传感器直接测量绳的拉力，不需要砂和砂桶的总质量m0远小于小车的质量M，D错误(2)设题图丙中x11.10 cm，x23.09 cm，x35.12 cm，x47.10 cm，x59.13 cm，x611.09 cm，T0.1 s，由逐差法可得a2.0 m/s2.(3)由实验结论可知2FMa，解得a，a ­ F图像的斜率为k，所以M，由于不知道横、纵坐标的标度是否相同，故不能确定斜率k与tan 是否相同，故选D.答案：(1)AB(2)2.0(3)D例3解析：(1)小滑块匀速下滑，所以小滑块通过两光电门的时间相等(2)小滑块通过光电门的速度为v，没有去掉小砂桶时，小滑块所受到的绳子拉力、重力、摩擦力、支持力等四力平衡，所以去掉小砂桶后，另外三力不变，则小滑块受到的合力与绳子拉力等大反向，即合力为mg.(3)根据牛顿第二定律及运动学公式得2ax2x，化简得m.答案：(1)相等(2)mg(3)例4解析：(1)初始时弹簧的伸长量为5.00 cm，结合图乙可读出弹簧弹力为0.610 N，由Fkx可得弹簧的劲度系数k12 N/m.(2)根据牛顿第二定律Fma，结合图丙可得a­F图线斜率的倒数表示滑块与加速度传感器的质量，代入数据得m0.20 kg.(3)同理图像斜率的倒数mm测，得m测0.13 kg.答案：(1)12(2)0.20(3)0.133解析：(1)本实验是研究小车乙的加速度a和力F、质量m的关系，所以轨道倾斜是为了平衡乙的摩擦力，故A错误，B正确；实验中只能在小车乙加速运动过程中采集数据，C错误，D正确(3)如何收集数据：在a ­ F图线上作一条垂直于横轴的直线(即F相同)，记录下与四条图线的交点纵坐标a，分别与各图线对应的m组成四组数据；为了更直观地验证a和m的关系，建立的坐标系应以加速度a为纵轴，以质量的倒数为横轴，正比关系更直观，容易判定答案：(1)BD(3)见解析加速度a质量的倒数