2023届新高考新教材物理人教版一轮学案-第三章创新实验课(04)　探究加速度与物体受力、物体质量的关系.docx

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1、实验基础知识一、实验基本技能1实验目的(1)学会用控制变量法研究物理规律(2)验证牛顿第二定律(3)掌握利用图像处理数据的方法2实验原理(1)保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系(2)保持合外力不变，探究加速度与质量的关系(3)作出aF图像和a图像，确定其关系3实验器材小车、砝码、小盘、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、天平、米尺4实验步骤(1)测量：用天平测量小盘和砝码的质量m和小车的质量m.(2)安装：按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)(3)补偿阻力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木

2、块，使小车能匀速下滑(4)操作：小盘通过细绳绕过定滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车，断开电源，取下纸带编上号码保持小车的质量m不变，改变小盘和砝码的质量m，重复步骤.在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.描点作图，作aF的图像保持小盘和砝码的质量m不变，改变小车质量m，重复步骤和，作a图像二、规律方法总结1数据处理(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，说明a与F成正比(3)以a为纵坐标，为横坐标，描点、连线，如果该线为过原点的直线，就能判定a与m成反比2注意事项(1)补偿阻力：适当垫高木板的右端，使小车的

3、重力沿斜面方向的分力正好补偿小车和纸带受到的阻力在补偿阻力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动(2)不重复补偿阻力(3)实验条件：mm.(4)一先一后一按：改变拉力或小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后释放小车，且应在小车到达滑轮前按住小车3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mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力(2)阻力补偿不准确、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命题点一实验原理与操作某实验小组利用图示的装置探究加速度与力、质量的关

4、系(1)(多选)下列做法正确的是 _(选填字母代号)A调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行B在调节木板倾斜度补偿木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上C实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源D通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度(2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量_木块和木块上砝码的总质量(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)(3)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系

5、，分别得到图中甲、乙两条直线设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为甲、乙，由图可知，m甲 _m乙 ，甲 _乙(均选填“大于”“小于”或“等于”) 解析：(1)实验中细绳要保持与长木板平行，A项正确；补偿阻力时不能将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上，这样无法补偿阻力，B项错误；实验时应先接通电源再放开木块，C项错误；补偿阻力后，改变木块上的砝码的质量后不再需要重新补偿阻力，D项正确(2)由整体法和隔离法得到细绳中的拉力FMaMmg，可见，当砝码桶和桶内砝码的总质量m远小于木块和木块上砝码的总质量M时，可得Fmg.(3)不补偿阻力，则Fmgma，ag，图

6、像的斜率大的木块的质量小，纵轴截距绝对值大的动摩擦因数大，因此m甲乙答案：(1)AD(2)远小于(3)小于大于对点演练1如图所示，某实验小组借用“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置，进行“探究做功与物体速度变化的关系”的实验，实验时使小车在砝码和托盘的牵引下运动，以此定量探究细绳拉力做功与小车速度变化的关系(1)实验室准备了打点计时器及配套的电源、导线、复写纸及如图所示的器材若要完成该实验，必需的实验器材还有_(2)为达到补偿阻力的目的，取下细绳和托盘，通过调节垫块的位置，改变长木板倾斜程度，根据打出的纸带判断小车是否做_运动(3)实验开始时，先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木

7、板平行这样做的目的是_(填选项前的字母)A避免小车在运动过程中发生抖动B可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰C可以保证小车最终能够实现匀速直线运动D可在补偿阻力后使细绳拉力等于小车受的合力解析：(1)本实验的实验原理是合外力所做的功等于动能的变化量，通过研究纸带来研究小车的速度，利用天平测量小车的质量，利用砝码的重力代替小车的合外力，所以需要刻度尺来测量纸带上点的距离和用天平测得小车的质量，即还需要刻度尺，天平(带砝码)(2)为达到补偿阻力的目的，取下细绳和托盘，通过调节垫块的位置，改变长木板倾斜程度，根据打出的纸带判断小车是否做匀速直线运动(3)实验过程中，为减少误差，提高实验的精确度，应先

8、调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木板平行，目的是补偿阻力后，使细绳的拉力等于小车的合力，故A、B、C错误，D正确答案：(1)天平、刻度尺(2)匀速直线(3)D2(2022湖北武汉市调研)某同学用如图所示装置来探究“在外力一定时，物体的加速度与其质量之间的关系”(1)下列实验中相关操作正确的是_A补偿阻力时，应先将沙桶用细线绕过定滑轮系在小车上B补偿阻力时，小车后面应固定一条纸带，纸带穿过打点计时器C小车释放前应靠近打点计时器，且先释放小车后接通打点计时器的电源(2)将沙和沙桶的总重力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%,

9、 小车和砝码的总质量是M, 则M与m应当满足的条件是 _(3)在完成实验操作后，用图像法处理数据，得到小车的加速度倒数与小车质量M的关系图像正确的是_解析：(1)补偿阻力时，应不挂沙桶，只让小车拖着纸带在木板上做匀速运动，选项A错误；补偿阻力时，小车后面应固定一条纸带，纸带穿过打点计时器，选项B正确；小车释放前应靠近打点计时器，且先接通打点计时器的电源后释放小车，选项C错误(2)在本实验中认为细线的拉力F等于沙和沙桶的总重力mg，由此造成的误差是系统误差，对小车，根据牛顿第二定律得：a，对整体，根据牛顿第二定律得：a，且5%，解得：0.05.(3)由牛顿第二定律可知：a，则(Mm)，故选C.答

10、案：(1)B(2)0.05(3)C命题点二数据处理与误差分析(2020北京卷)在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中，做如下探究：(1)为猜想加速度与质量的关系，可利用图1所示装置进行对比实验两小车放在水平板上，前端通过钩码牵引，后端各系一条细线，用板擦把两条细线按在桌上，使小车静止抬起板擦，小车同时运动，一段时间后按下板擦，小车同时停下对比两小车的位移，可知加速度与质量大致成反比关于实验条件，下列正确的是：_(选填选项前的字母)图1A小车质量相同，钩码质量不同B小车质量不同，钩码质量相同C小车质量不同，钩码质量不同(2)某同学为了定量验证(1)中得到的初步关系，设计实验并得到小车加

11、速度a与质量M的7组实验数据，如下表所示在图2所示的坐标纸上已经描好了6组数据点，请将余下的一组数据描在坐标纸上，并作出a图像次数1234567a/(ms2)0.620.560.480.400.320.240.15M/kg0.250.290.330.400.500.711.00图2(3)在探究加速度与力的关系实验之前，需要思考如何测“力”请在图3中画出小车受力的示意图为了简化“力”的测量，下列说法正确的是：_(选填选项前的字母)图3A使小车沿倾角合适的斜面运动，小车受力可等效为只受绳的拉力B若斜面倾角过大，小车所受合力将小于绳的拉力C无论小车运动的加速度多大，沙和桶的重力都等于绳的拉力D让小车

12、的运动趋近于匀速运动，沙和桶的重力才近似等于绳的拉力解析：(1)F一定时，加速度与质量成反比，故实验条件为小车质量不同、钩码质量相同(2)描点后作图如图甲所示(3)小车受重力G、支持力FN、拉力F、摩擦力f，受力示意图如图乙所示使小车沿倾角合适的斜面运动，补偿阻力，小车受力可等效为只受绳的拉力，选项A正确；若斜面倾角过大，小车所受合力将大于绳的拉力，选项B错误；由于沙和桶有加速度，严格来讲沙和桶的重力大于绳的拉力，选项C错误；只有沙和桶的质量远小于小车的质量时，沙和桶的重力才近似等于绳的拉力，选项D错误答案：(1)B(2)如解析图甲所示(3)如解析图乙所示A对点演练3(2021湖南卷)某实验小

13、组利用图(a)所示装置探究加速度与物体所受合外力的关系主要实验步骤如下：(1)用游标卡尺测量垫块厚度h，示数如图(b)所示，h_ cm；(2)接通气泵，将滑块轻放在气垫导轨上，调节导轨至水平；(3)在右支点下放一垫块，改变气垫导轨的倾斜角度；(4)在气垫导轨合适位置释放滑块，记录垫块个数n和滑块对应的加速度a；(5)在右支点下增加垫块个数(垫块完全相同)，重复步骤(4)，记录数据如下表：n123456(a/ms2)0.0870.1800.2600.4250.519根据表中数据在图(c)上描点，绘制图线如果表中缺少的第4组数据是正确的，其应该是_ m/s2(保留三位有效数字)解析：(1)垫块的厚

14、度为h1 cm20.1 mm1.02 cm(5)绘制图线如图所示根据mgma可知a与n成正比关系，则根据图像可知，斜率k，解得a0.343 m/s2.答案：(1)1.02(5)图见解析0.343(0.3400.345均可)4某组同学设计了“探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系”实验如图甲为实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为装有细沙的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车的拉力F等于细沙和小桶的总重力，小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得(1)如图乙为某次实验得到的纸带，已知实验所用电源的频率为50 Hz.根据纸带可求出电火花计时器打B点时的速度为_ m

15、/s，小车的加速度大小为_ m/s2.(结果均保留两位有效数字)(2)在“探究加速度a与质量m的关系”时，某同学按照自己的方案将实验数据都在坐标系中进行了标注，但尚未完成图像(如图丙所示)请继续帮助该同学作出坐标系中的图像(3)在“探究加速度a与合力F的关系”时，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图丁所示，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因：_.解析：(1)B点的瞬时速度为vB m/s1.6 m/s，由逐差法求解小车的加速度，a m/s23.2 m/s2.(2)根据描点法作出图像，如图所示(3)图线不通过坐标原点，F不为零时，加速度仍为零，则实验前没有补偿阻力或

16、者补偿阻力不够答案：(1)1.63.2(2)见解析图(3)实验前没有补偿阻力或补偿阻力不够命题点三创新拓展实验实验原理的创新实验器材的创新实验过程的创新1.利用力传感器可得轻绳上拉力大小.2.将探究加速度与合力的关系转化为探究加速度与力传感器的示数的关系.利用位移传感器与计算机相连，直接得出小车的加速度.1.用光电门代替打点计时器，结合遮光条的宽度可测滑块的速度.2.利用气垫导轨代替长木板，无需补偿阻力.3.由力传感器测滑块受到的拉力，无需满足mM.1.结合光电门得出物块在A、B两点的速度，由v v 2ax得出物块的加速度.2.结合牛顿第二定律mgMg(Mm)a得出物块与水平桌面间的动摩擦因数

17、.(2022山西吕梁市期末)为了探究质量一定时加速度与力的关系，一同学设计了如图甲所示的实验装置，细线与弹簧测力计挂钩相连其中M为带滑轮的小车的质量，放在一端带滑轮的长木板上，m为沙和沙桶的质量(滑轮质量不计)甲(1)(多选)实验时，不需要进行的操作是_(填选项前的字母)A用天平测出沙和沙桶的质量B将带滑轮的长木板右端垫高，以补偿阻力C小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数D改变沙和沙桶的质量，打出几条纸带E为减小误差，实验中一定要保证沙和沙桶的质量m远小于小车的质量M(2)该同学在实验中得到如图乙所示的一条纸带(两计数点间还有两个点没有画出)，已知

18、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(结果保留三位有效数字)乙(3)以弹簧测力计的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，画出的aF图像是一条直线，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_【解题方案】第1步：弄清实验目的：探究质量一定时加速度与力的关系第2步：理清实验原理：弹簧测力计可以直接测出绳子的拉力，补偿阻力后，小车所受合外力等于绳子拉力的2倍，利用逐差法测出纸带的加速度，即可得出加速度与力的关系第3步：制定数据处理方案：求小车的加速度时可以利用逐差法，也可以利用速度时间图像注意小车的合力等于绳子拉力的2倍，与小桶的重力无关解

19、析：(1)本题拉力可以由弹簧测力计测出，不需要用天平测出沙和沙桶的质量，也就不需要使沙和沙桶的质量远小于小车的总质量，A、E不需要，符合题意；该题是由弹簧测力计测出拉力，从而得到小车受到的合外力，故需要将带滑轮的长木板右端垫高，以补偿阻力，B需要，不符合题意；用打点计时器时，都是先接通电源，待打点稳定后再释放纸带，该实验探究加速度与力的关系，要记录弹簧测力计的示数，C需要，不符合题意；改变沙和沙桶质量，即改变拉力的大小，打出几条纸带，研究加速度随F变化关系，D需要，不符合题意(2)由于两计数点间还有两个点没有画出，故相邻计数点的时间间隔为T0.06 s，由xaT2，则有：a m/s21.32

20、m/s2.(3)小车所受合力为弹簧测力计示数的两倍，由牛顿第二定律得：aF则aF图像的斜率k ，解得小车质量为：M.答案：(1)AE(2)1.32(3)对点演练5(实验原理的创新)(2022湖南湘潭三模)实验小组用如图甲所示器材探究加速度与外力的关系水平桌面上放有相同的两辆小车，两辆小车左右两端各系一条细绳，左端的细绳都绕过定滑轮并各挂一个质量不同的钩码用黑板擦把两辆小车右端的细线按在桌面上，使小车静止实验前，通过垫高桌子右端的方式来补偿阻力实验时抬起黑板擦，两辆小车同时由静止开始运动，按下黑板擦，两辆小车同时停下，用刻度尺测出两辆小车通过的位移(1)本实验将钩码的重力当作小车受到的外力，应使

21、钩码的质量_(选填 “远大于”“远小于”或“等于”)小车质量；若小车所受外力的计算存在误差，则此类误差属于_(选填“系统”或“偶然”)误差(2)经过测量，两辆小车通过的位移分别为x1、x2，两钩码的质量分别为m1、m2，只要满足关系式_，就可验证小车的加速度与其所受外力成正比(3)为了使实验结果更加精确，某同学利用拉力传感器和速度传感器来做实验，如图乙所示，在长木板上相距为L的A、B两点各安装一个速度传感器，分别记录小车到达A、B两点时的速率，实验中使用的小车及拉力传感器总质量约为200 g，每个钩码的质量约为50 g.主要实验步骤如下：调整长木板的倾斜角度，补偿小车受到的阻力；由静止释放小车

22、，读出拉力传感器的读数F，让小车依次经过位于A、B两点的速度传感器，记录速度vA和vB，并计算出小车的加速度a；增加钩码数量；重复步骤，得到多组数据，并作出aF图像，步骤中小车的加速度a_(请用题中符号表示)；根据实验数据作出的aF图像最接近_解析：(1)当钩码的质量远小于小车的质量时，可以近似认为小车受到的拉力等于钩码的重力；小车所受外力的计算存在误差，此类误差属于系统误差(2)小车做初速度为零的匀加速直线运动，位移为xat2t2，则有，只要满足，就可验证小车的加速度与其所受外力成正比(3)小车做匀加速直线运动，由匀变速直线运动的速度位移公式可知，小车的加速度为a；小车受到的拉力可以由拉力传

23、感器测出，由牛顿第二定律可得aF，在质量M一定时，a与F成正比，故A正确答案：(1)远小于系统(2)(3)A6(实验器材的创新)(2022山东临沂市上学期期末)某同学利用图甲所示DIS装置探究滑块加速度与合力的关系，同时测量滑块与轨道间的动摩擦因数重物通过光滑的定滑轮用细线拉滑块，在滑块和细线左端之间固定一力传感器，位移传感器(接收器)固定在轨道一端，位移传感器(发射器)随滑块一起沿水平轨道运动实验中，保持滑块(包括位移传感器发射器和力传感器)的质量M不变，改变重物的质量m，重复实验若干次，得到滑块的加速度a与力传感器的示数F的关系如图乙所示(1)本实验_(选填“需要”或“不需要”)满足滑块(

24、包括位移传感器发射器和力传感器)的质量远大于重物的质量(2)滑块(包括位移传感器发射器和力传感器)的质量为_ kg；取g10 m/s2，空气阻力不计，滑块与轨道间的动摩擦因数为_解析：(1)本实验中细线的拉力可以通过力传感器直接测出，因此不需要满足滑块(包括位移传感器、发射器和力传感器)的质量远大于重物的质量(2)取滑块为研究对象，由牛顿第二定律可得Fmgma，变形可得aFg，分析图像的斜率可得，可得m2.0 kg；当F1.0 N，a0代入加速度的表达式aFg，解得0.05.答案：(1)不需要(2)2.00.057(实验过程的创新)(2020浙江卷)做“探究加速度与力、质量的关系”实验时，图甲

25、是教材中的实验方案；图乙是拓展方案，其实验操作步骤如下：()挂上托盘和砝码，改变木板的倾角，使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑；()取下托盘和砝码，测出其总质量为m，让小车沿木板下滑，测出加速度a；()改变砝码质量和木板倾角，多次测量，通过作图可得到aF的关系(1)实验获得如图丙所示的纸带，计数点a、b、c、d、e、f间均有四个点未画出，则在打d点时小车的速度大小vd_m/s(保留两位有效数字)；丙(2)需要满足条件Mm的方案是_(选填“甲”“乙”或“甲和乙”)；在作aF图像时，把mg作为F值的是_(选填“甲”“乙”或“甲和乙”)解析：(1)相邻两个计数点之间的时间间隔T50.02 s0.10 s，根据做匀变速直线运动的质点在一段时间内的平均速度等于中间时刻的瞬时速度，可得打d点时小车的速度大小vd102 m/s0.19 m/s.(2)在图甲中把托盘和砝码的重力视为小车受到的拉力，需要满足条件Mm；在图乙中挂上托盘和砝码，使小车匀速向下运动，受力平衡，去掉托盘和砝码，小车所受的合力F等于托盘和砝码的重力mg.所以需要满足条件Mm的方案是甲在作aF图像时，把mg作为F值的是甲和乙答案：(1)0.19(0.180.20均可)(2)甲甲和乙