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1、(全国用)2018版高考物理大一轮复习第三章牛顿运动定律实验四探究加速度与力、质量的关系实验四探究加速度与力、质量的关系1.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图象和a图象,确定其关系.2.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.3.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1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).图1(3)平衡摩擦力:在长木板的不带定滑轮的一
2、端下面垫上一块薄木块,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的图象.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图象.1.注意事项(1)平衡摩擦力:适当垫高木板的右端,使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力.在平衡摩擦力时,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)不重复平衡摩擦力.(3)实验条件:mm.(4)一先一后一按:改变拉力和
3、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.2.误差分析(1)因实验原理不完善引起的误差: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)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.3.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.命题点一教材原型实验
4、例1用图2甲所示装置探究物体的加速度与力的关系.实验时保持小车(含车中重物)的质量M不变,细线下端悬挂钩码的总重力作为小车受到的合力F,用打点计时器测出小车运动的加速度a.图2(1)关于实验操作,下列说法正确的是()A.实验前应调节滑轮高度,使滑轮和小车间的细线与木板平行B.平衡摩擦力时,在细线的下端悬挂钩码,使小车在线的拉力作用下能匀速下滑C.每次改变小车所受的拉力后都要重新平衡摩擦力D.实验时应先接通打点计时器电源,后释放小车(2)图乙为实验中打出纸带的一部分,从比较清晰的点迹起,在纸带上标出连续的5个计数点A、B、C、D、E,相邻两个计数点之间都有4个点迹未标出,测出各计数点到A点间的距
5、离.已知所用电源的频率为50 Hz,打B点时小车的速度v_ m/s,小车的加速度a_ m/s2.(3)改变细线下端钩码的个数,得到aF图象如图丙所示,造成图线上端弯曲的原因可能是_.答案(1)AD(2)0.3160.93(3)随所挂钩码质量m的增大,不能满足Mm.解析(1)在调节木板倾斜度平衡小车受到的滑动摩擦力时,不应悬挂钩码,故B错误;由于平衡摩擦力之后有Mgsin Mgcos ,故tan ,所以无论小车的质量是否改变,小车所受的滑动摩擦力都等于小车的重力沿斜面方向的分力,改变小车所受的拉力,不需要重新平衡摩擦力,故C错误.(2)已知打点计时器电源频率为50 Hz,则纸带上相邻计数点间的时
6、间间隔为T50.02 s0.1 s根据xaT2可得:xCExACa(2T)2,小车运动的加速度为a m/s20.93 m/s2B点对应的速度:vB m/s0.316 m/s,(3)随着力F的增大,即随所挂钩码质量m的增大,不能满足Mm,因此图线上部出现弯曲现象.1.(1)我们已经知道,物体的加速度a同时跟合外力F和质量M两个因素有关.要研究这三个物理量之间的定量关系,需采用的思想方法是_.(2)某同学的实验方案如图3所示,她想用砂桶的重力表示小车受到的合外力F,为了减少这种做法带来的实验误差,她先做了两方面的调整措施:图3a.用小木块将长木板无滑轮的一端垫高,目的是_.b.使砂桶的质量远小于小
7、车的质量,目的是使拉小车的力近似等于_.(3)该同学利用实验中打出的纸带求加速度时,处理方案有两种:A.利用公式a计算B.根据逐差法利用a计算两种方案中,选择方案_比较合理.答案(1)控制变量法(2)平衡摩擦力砂桶的重力(3)B2.为了“探究加速度与力、质量的关系”,现提供如图4所示的实验装置:图4(1)以下实验操作正确的是()A.将木板不带滑轮的一端适当垫高,使小车在砝码及砝码盘的牵引下恰好做匀速运动B.调节滑轮的高度,使细线与木板平行C.先接通电源后释放小车D.实验中小车的加速度越大越好(2)在实验中,得到一条如图5所示的纸带,已知相邻计数点间的时间间隔为T0.1 s,且间距x1、x2、x
8、3、x4、x5、x6已量出分别为3.09 cm、3.43 cm、3.77 cm、4.10 cm、4.44 cm、4.77 cm,则小车的加速度a_ m/s2.(结果保留两位有效数字)图5(3)有一组同学保持小车及车中的砝码质量一定,探究加速度a与所受外力F的关系,他们在轨道水平及倾斜两种情况下分别做了实验,得到了两条aF图线,如图6所示.图线_是在轨道倾斜情况下得到的(填“”或“”);小车及车中砝码的总质量m_ kg.图6答案(1)BC(2)0.34(3)0.5解析(1)将不带滑轮的木板一端适当垫高,在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动,以使小车的重力沿斜面的分力和摩擦力抵消,那么小车的合力
9、就是细线的拉力,故选项A错误;细线的拉力为小车的合力,所以应调节定滑轮的高度使细线与木板平行,故B正确;实验时,应使小车靠近打点计时器由静止释放,先接通电源后释放小车,故选项C正确;实验时,为了减小实验的误差,小车的加速度应适当大一些,但不是越大越好.故D错误.(2)根据逐差法得:a0.34 m/s2.(3)由图线可知,当F0时,a0,也就是说当细线上没有拉力时小车就有加速度,所以图线是轨道倾斜情况下得到的,根据Fma得aF图象的斜率k,由aF图象得图象斜率k2,所以m0.5 kg.命题点二实验拓展创新例2(2016全国23)某物理课外小组利用图7中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系
10、.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,另一端可悬挂钩码.本实验中可用的钩码共有N5个,每个质量均为0.010 kg.实验步骤如下:图7(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n1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余Nn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st图象,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.n2时的st图象如图8所示;由
11、图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/(ms2)0.200.580.781.00图8(4)利用表中的数据在图9中补齐数据点,并作出an图象.从图象可以看出: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9(5)利用an图象求得小车(空载)的质量为_kg(保留2位有效数字,重力加速度取g9.8 ms2).(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.an图线不再是直线B.an图线仍是直线,但该直线不过原点C.an图线仍是直线,但该直线的斜率变大答案(3)0.39(4)见解析图(5)0.44(6)B解析(3
12、)因为小车做初速度为零的匀加速直线运动,将图中点(2,0.78)代入sat2可得,a0.39 m/s2.(4)根据描点法可得如图所示图线.(5)根据牛顿第二定律可得nmg(M5m)a,则an,图线斜率k,可得M0.44 kg(6)若保持木板水平,则小车运动中受到摩擦力的作用,n的数值相同的情况下,加速度a变小,直线的斜率变小.绳的拉力等于摩擦力时,小车才开始运动,图象不过原点,选项B正确.利用图象处理数据的方法技巧1.利用图象处理实验数据是实验中最常用的方法,解决本题的基本对策是写出图象对应的函数,困难便迎刃而解.2.画an图象时,所画直线要符合以下要求:让尽可能多的点落在直线上;不能落在直线
13、上的点要均匀分布于直线的两侧;一定要利用直尺画线.例3(2015新课标全国22)某同学用图10(a)所示的实验装置测量物块与斜面之间的动摩擦因数.已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz,物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图(b)所示,图中标出了五个连续点之间的距离.图10(1)物块下滑时的加速度a_ m/s2,打C点时物块的速度v_ m/s;(2)已知重力加速度大小为g,为求出动摩擦因数,还必须测量的物理量是_(填正确答案标号).A.物块的质量B.斜面的高度C.斜面的倾角答案(1)3.251.79(2)C解析(1)根据纸带数据可知,加速度a3.25 m/s2;打C点时物块的速度vC1.79
14、 m/s.(2)由牛顿第二定律得加速度agsin gcos ,所以要求出动摩擦因数,还必须测量的物理量是斜面的倾角.3.在用DIS研究小车加速度与外力的关系时,某实验小组先用如图11(a)所示的实验装置,重物通过滑轮用细线拉小车,在小车和重物之间接一个不计质量的微型力传感器,位移传感器(发射器)随小车一起沿水平轨道运动,位移传感器(接收器)固定在轨道一端,实验中力传感器的拉力为F,保持小车包括位移传感器(发射器)的质量不变,改变重物重力重复实验若干次,得到加速度与外力的关系如图(b)所示.图11(1)小车与轨道的滑动摩擦力Ff_ N.(2)从图象中分析,小车包括位移传感器(发射器)的质量为_ kg.(3)该实验小组为得到a与F成正比的关系,应将斜面的倾角调整到tan _.答案(1)0.67(2)0.67(3)0.1解析(1)根据图象可知,当F0.67 N时,小车开始有加速度,则Ff0.67 N,(2)根据牛顿第二定律aF,则aF图象的斜率表示小车包括位移传感