【物理】2019届一轮复习人教版第三章实验三加速度与物体质量、物体受力的关系学案 9页

实验三　加速度与物体质量、物体受力的关系 ‎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)掌握利用图象处理数据的方法．‎ ‎2．实验原理 采用控制变量法：‎ ‎(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a－F图象和a－图象，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端下面垫上一块薄木块，使小车能匀速下滑．‎ ‎(4)操作：①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．‎ ‎②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①.‎ ‎③在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.‎ ‎④描点作图，作a－F的图象．‎ ‎⑤保持小盘和砝码的质量m′不变，改变小车质量m，重复步骤①和③，作a－图象．‎ ‎5．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：m≫m′.‎ ‎(4)一先一后一按：改变拉力和小车质量后，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．‎ ‎6．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m′g代替小车所受的拉力，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．‎ ‎7．数据处理 ‎(1)利用Δx＝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、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　实验原理与实验操作 例1　如图2所示的实验装置可以验证牛顿运动定律，小车上固定一个盒子，盒子内盛有沙子．沙桶的总质量(包括桶以及桶内沙子质量)记为m，小车的总质量(包括车、盒子及盒内沙子质量)记为M.‎ 图2‎ ‎(1)验证在质量不变的情况下，加速度与合外力成正比：从盒子中取出一些沙子，装入沙桶中，称量并记录沙桶的总重力mg，将该力视为合外力F，对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出．多次改变合外力F的大小，每次都会得到一个相应的加速度．本次实验中，桶内的沙子取自小车中，故系统的总质量不变，以合外力F为横轴，以加速度a为纵轴，画出a－F图象，图象是一条过原点的直线．‎ ‎①a－F图象斜率的物理意义是________________________________________________．‎ ‎②你认为把沙桶的总重力mg当作合外力F是否合理？‎ 答：________.(填“合理”或“不合理”)‎ ‎③本次实验中，是否有必要满足M≫m这样的条件？‎ 答：________(填“是”或“否”)；‎ 理由是________________________________________________________________________．‎ ‎(2)验证在合外力不变的情况下，加速度与质量成反比：保持沙桶总质量m不变，在盒子内添加或去掉一些沙子，验证加速度与质量的关系．本次实验中，桶内的沙桶总质量不变，故系统所受的合外力不变．用图象法处理数据时，以加速度a为纵轴，应该以________的倒数为横轴．‎ 答案　(1)①　②合理　③否　因为实验的研究对象是整个系统，系统受到的合外力就等于mg　(2)M＋m 解析　(1)将车内的沙子转移到桶中，就保证了M＋m不变，即系统的总质量不变，研究对象是整个系统，a＝＝，可见a－F图象斜率的物理意义是，系统的合外力就等于所悬挂沙桶的总重力mg，不必满足M≫m这样的条件．‎ ‎(2)向小车内添加或去掉部分沙子，是改变系统的总质量M＋m，而系统的合外力仍等于所悬挂沙桶的总重力mg，保证了合外力不变，所以用图象法处理数据时，以加速度a为纵轴，应该以为横轴．‎ 命题点二　数据处理与误差分析 ‎1．数据处理 ‎(1)先在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据公式a＝计算加速度．‎ ‎(2)需要记录各组对应的加速度a与小车所受的牵引力F，然后建立直角坐标系，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F，描点画出a－F图象，如果图线是一条过原点的直线，便证明了加速度与作用力成正比．再记录各组对应的加速度a与小车的质量m，然后建立直角坐标系，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车质量的倒数，描点画出a－图象，‎ 如果图线是一条过原点的直线，就证明了加速度与质量成反比．‎ 注意：若a与是正比关系，则a－图象是直线；而若a与m是反比关系，则a－m图象是曲线．在研究两个量的关系时，根据直线更易确定两者之间的关系，故本实验是作a－图象．‎ ‎2．误差分析 ‎(1)质量的测量、纸带上所打的各点间的距离的测量、拉线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．‎ 通过适当的调节，使小车所受的阻力可忽略，以小车、小盘和砝码整体为研究对象得m0g＝(m＋m0)a，以小车为研究对象得F＝ma，求得F＝·m0g＝·m0g”)．‎ ‎(3)改变小桶中砂的重力，多次重复实验，获得多组数据，描绘小车加速度a与F的关系如图丙所示．不计纸带与计时器间的摩擦．图象中F是实验中测得的________．‎ A．F1 B．F2‎ C．F1－F2 D．F2－F0‎ ‎(4)关于该实验，下列说法中正确的是________．‎ A．小车和传感器的总质量应远大于小桶和砂的总质量 B．实验中需要将长木板右端垫高 C．实验中需要测出小车和传感器的总质量 D．用加砂的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，可更方便地获取多组实验数据 答案　(1)0.16　(2)>　(3)D　(4)D 解析　(1)每5个点取一个计数点，所以相邻的计数点间的时间间隔T＝0.1 s，根据Δx＝aT2可以求出加速度的大小，得：a＝ m/s2＝0.16 m/s2. ‎ ‎(2)对小桶受力分析，设小桶重力为mg，小车释放前力传感器的示数为F1，所以F1＝mg，设小车在加速运动时力传感器的示数为F2，根据牛顿第二定律得：mg－F2＝ma，所以F1>F2.‎ ‎(3)图象是过原点的一条倾斜的直线，已经平衡摩擦力，所以F应该表示小车受到的合力，即F＝F2－F0，故D正确. ‎ ‎(4)在该实验中力传感器可以直接得出力的大小，不需要使小车和传感器的总质量远大于小桶和砂的总质量，故A错误；实验中不需要将长木板右端垫高，因为已经测量了小车所受摩擦力的大小，故B错误；实验中不需要测出小车和传感器的总质量，只需要保证小车和传感器的总质量不变，故C错误；用加砂的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，可更方便地获取多组实验数据，故D正确.‎ ‎1．(2017·南通市如东县、徐州市丰县10月联考)用如图7所示的装置进行“探究加速度与力、质量的关系”的实验．‎ 图7‎ ‎(1)若小车的总质量为M，砝码和砝码盘的总质量为m，则当满足________条件时，可认为小车受到的合外力大小等于砝码和砝码盘的总重力大小．‎ ‎(2)在探究加速度与质量的关系实验中，下列做法中正确的是________．‎ A．平衡摩擦力时，不应将装砝码的砝码盘用细线通过定滑轮系在小车上 B．每次改变小车的质量时，都需要重新平衡摩擦力 C．实验时，先接通打点计时器电源，再放开小车 D．小车运动的加速度可由牛顿第二定律直接求出 ‎(3)甲同学通过对小车所牵引纸带的测量，就能得出小车的加速度a.如图8是某次实验所打出的一条纸带，在纸带上标出了5个计数点，在相邻的两个计数点之间有4个打点未标出，计时器打点频率为50 Hz，则小车运动的加速度为________ m/s2(保留两位有效数字)．‎ 图8‎ ‎(4)乙同学通过给小车增加砝码来改变小车的质量M，得到小车的加速度a与质量M的数据，画出a－图线后，发现当较大时，图线发生弯曲．该同学后来又对实验方案进行了进一步地修正，避免了图线的末端发生弯曲的现象．则该同学的修正方案可能是________．‎ A．改画a与的关系图线 B．改画a与M＋m的关系图线 C．改画a与的关系图线 D．改画a与的关系图线 答案　见解析 解析　(1)小车在实际运动中是用砝码和砝码盘的重力来代替合力F，但是砝码和砝码盘是有质量的，且a为整个系统的加速度，因此mg＝F＝(M＋m)a，只有当m远小于M时，得出的结果才会符合F＝Ma；‎ ‎(2)平衡摩擦力时，不能将装砝码的砝码盘用细线通过定滑轮系在小车上，故A正确；实验时，先接通打点计时器电源，再放开小车，C正确．‎ ‎(3)根据逐差法可知，小车的加速度为：‎ a＝＝×10－2 m/s2＝0.45 m/s2.‎ ‎(4)由于细线不可伸长，因此砝码和砝码盘与小车具有了相同大小的加速度，对它们整体根据牛顿第二定律有：mg＝(M＋m)a，解得：a＝，因此在mg一定的情况下，a∝，故选项A正确．‎ ‎2．(2017·江苏考前综合模拟)某实验小组在实验室用如图9甲所示的装置来探究力学实验，图中小车上有固定盒子，盒子内盛有沙子．‎ 图9‎ ‎(1)用图甲实验装置来研究物体做匀变速直线运动的实验，先接通计时器的电源(频率为 ‎50 Hz)，再释放纸带，得到如图乙所示的打点纸带(每两个计数点之间还有四个点)．测量时发现B点已模糊不清，于是他测得AC长为14.56 cm，CD长为11.15 cm，DE长为13.73 cm，则打C点时小车的瞬时速度大小为________ m/s，小车运动的加速度大小为________ m/s2.‎ ‎(2)若图甲实验装置不能满足沙桶总质量远远小于小车(包括盛沙的盒子及盒子内的沙子)的总质量，但某同学仍使用此装置，在保持桶内沙子质量不变的情况下，通过在盒子内添加或去掉一些沙子，来探究加速度与质量的关系，其理由是________________________．若采用图象法处理数据，以加速度a为纵轴，应该以________(填“A”或“B”)的倒数为横轴．‎ A．小车质量、盒子及盒子内沙子质量之和 B．小车质量、盒子及盒子内沙子与悬挂的沙桶(包括桶与桶内的沙子)质量之和 ‎(3)若要用此实验装置还可以完成__________________________________实验．(至少写一个)‎ 答案　(1)0.986　2.58‎ ‎(2)实验的研究对象是整个系统，系统受到的合外力就等于沙桶的重力　B ‎(3)验证机械能守恒定律、探究动能定理或测定动摩擦因数 解析　(1)由于小车做匀加速直线运动，则 －＝－，＝8.57 cm 则vC＝＝0.986 m/s a＝＝2.58 m/s2‎