【物理】2020届一轮复习人教版实验：探究加速度与力质量的关系学案 20页

‎2020届一轮复习人教版 实验：探究加速度与力质量的关系 学案 ‎1．实验原理（见实验原理图）‎ ‎ （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．‎ ‎2．实验器材 小车、砝码、小盘、细绳、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）用天平测出小车和盛有砝码的小盘的质量m和m′，把数据记录在表格中；‎ ‎（2）把实验器材安装好，平衡摩擦力；‎ ‎（3）在小盘里放入适量的砝码，把砝码和小盘的质量m′记录在表格中；‎ ‎（4）保持小车的质量不变，改变砝码的质量，按上面步骤再做5次实验；‎ ‎（5）算出每条纸带对应的加速度的值并记录在表格中；‎ ‎（6）用纵坐标表示加速度a，横坐标表示合外力，即砝码和小盘的总重力m′g，根据实验数据在坐标平面上描出相应的点，作图线；‎ ‎（7）用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车质量的倒数，在坐标系中根据实验数据描出相应的点并作图线。‎ ‎4．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．‎ ‎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：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．‎ ‎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m′g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．‎ ‎1．用如图甲所示的实验装置，探究加速度与力、质量的关系实验中，将一端带定滑轮的长木板放在水平实验桌面上，实验小车通过轻细绳跨过定滑轮与砂桶相连，小车与纸带相连，打点计时器所用交流电的频率为f＝50 Hz.平衡摩擦力后，在保持实验小车质量不变的情况下，放开砂桶，小车加速运动，处理纸带得到小车运动的加速度为；改变砂桶中沙子的质量，重复实验三次．‎ ‎（1）在验证“质量一定，加速度与合外力的关系”时，某学生根据实验数据作出了如图乙所示的图象，其中图线不过原点并在末端发生了弯曲现象，产生这两种现象的原因可能有_____．‎ A．木板右端垫起的高度过小（即平衡摩擦力不足）‎ B．木板右端垫起的高度过大（即平衡摩擦力过度）‎ C．砂桶和沙子的总质量远小于小车和砝码的总质量（即）‎ D．砂桶和沙子的总质量未远小于小车和砝码的总质量．‎ ‎（2）实验过程中打出的一条理想纸带如图丙所示，图中、、、、、、为相邻的计数点，相邻两计数点间还有4个点未画出，则小车运动的加速度＝_____.（结果保留3位有效数字）‎ ‎（3）小车质量一定，改变砂桶中沙子的质量，砂桶和沙子的总质量为 ‎，根据实验数据描绘出的小车加速度与砂桶和沙子的总质量之间的关系图象如图丁所示，则小车的质量_____.（g=10m/s2）‎ ‎【答案】（1）BD （2）2.00 （3） 0.4 ‎ ‎（2） 相邻两计数点间还有4个点未画出，则两计数点间时间间隔 小车运动的加速度 ‎（3） 设绳子拉力为，对砂桶和沙子受力分析，由牛顿第二定律可得：‎ 对小车和砝码受力分析，由牛顿第二定律可得：‎ 联立解得：，整理得：‎ 由关系图象可得：，解得：。 ‎ ‎7．“用DIS研究加速度与力的关系”的实验装置如图（a）所示，实验中用所挂钩码的重量作为细线对小车的拉力F。通过增加钩码的数量，多次测量，可得小车运动的加速度a和所受拉力F的关系图象。他们在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验，得到了两条a-F图线，如图（b）所示。‎ ‎（1）图线__________ （选填“①”或“②”） 是在轨道右侧抬高成为斜面情况下得到的；‎ ‎（2）在轨道水平时，小车运动的阻力Ff＝________ N；‎ ‎（3）图乙中，拉力F较大时，a-F图线明显弯曲，产生误差。为避免此误差可采取的措施是________。‎ A．调整轨道的倾角，在未挂钩码时使小车能在轨道上匀速运动 B．在增加钩码数量的同时在小车上增加砝码，使钩码的总质量始终远小于小车的总质量 C．将无线力传感器捆绑在小车上，再将细线连在力传感器上，用力传感器读数代替钩码的重力 D．更换实验中使用的钩码规格，采用质量较小的钩码进行上述实验 ‎【答案】（1） （2）0.5N （3）C ‎ ‎（3）拉力F较大时，a-F图线明显弯曲，因为此时钩码的质量不满足远小于小车的质量，钩码的重力不等于绳子的拉力，避免此误差的方法是运用力传感器，直接读出绳子的拉力，不用钩码的重力代替拉力．故选C．‎ ‎【点睛】‎ 解决本题的关键知道实验中的两个认为：1、认为绳子的拉力等于小车的合力，前提需平衡摩擦力，掌握平衡摩擦力的方法．2、认为钩码的重力等于绳子的拉力，前提是钩码的质量远小于小车的质量．知道运用力传感器可以避免第2个认为产生的误差．‎ ‎8．如图1所示是“探究加速度与力、质量的关系”实验装置：‎ ‎（1）图2是实验时平衡阻力的情形，其中正确的是______（选填字母）‎ ‎（2）在平衡阻力后，实验时可通过增减小盘中_______（选填“50g钩码”或“5g砝码”）的个数来改变拉力的大小。‎ ‎【答案】（1）B （2）5g砝码 ‎ ‎【点睛】‎ 解决本题的关键抓住实验中的两个认为：认为绳子的拉力等于小车的合力，前提需平衡摩擦力；认为绳子的拉力等于砝码和砝码盘的总重力，前提是砝码以及砝码盘的质量远小于小车和小车上钩码的总质量。‎ ‎9．某探究学习小组欲探究物体的加速度与力、质量的关系，他们在实验室组装了一套如图所示的装置，图中小车的质量用M表示，钩码的质量用m表示。要顺利完成该实验，则：‎ ‎（1）为使小车所受合外力等于细线的拉力，应采取的措施是_________________；要使细线的拉力约等于钩码的总重力，应满足的条件是______________。‎ ‎（2）某次打出的某一条纸带，A、B、C、D、E、F为相邻的6个计数点，如图，相邻计数点间还有四个点未标出。利用图中给出的数据可求出小车的加速度________。（保留2位小数）‎ ‎（3）某位同学经过测量、计算得到如下数据，请在图中作出小车加速度与所受合外力的关系图象_______________。‎ ‎（4）由图象可以看出，该实验存在着较大的误差，产生误差的主要原因是_______。‎ ‎【答案】（1）平衡摩擦力； M＞＞m ； （2） ； （3） （4） 木板倾角偏小； ‎ ‎（2）根据△x=aT2 可得：x5-x1=5aT2 ；所以有：‎ ‎（3）图像如图；‎ ‎（4）由图象可知，当拉力为0.05N时，小车才有加速度，所以是平衡摩擦力不够，木板倾斜过小。‎ ‎【点睛】‎ 掌握实验原理是正确解决实验题目的前提条件；实验时要平衡摩擦力，平衡摩擦力不足或过平衡摩擦力都是错误的．要提高应用匀变速直线的规律以及推论解答实验问题的能力，在平时练习中要加强基础知识的理解与应用。 ‎ ‎【点睛】‎ 本题考查了探究加速度与力、质量的关系；加速度的测量是关键，所以打点计时器纸带数据处理要清楚，故刻度尺不能忘记掌握纸带的处理，会通过纸带求解瞬时速度和加速度，计算时注意单位的统一。‎ ‎2．（浙江省2019届高三高考选考科目9月联考）在“探究物体加速度与力、质量的关系”实验中：‎ ‎（1）实验室提供了带有滑轮的长木板、细绳、纸带、小车、钩码、小盘、薄木块、夹子等器材外，为了完成此实验，还需要从下图中选取的实验器材是__________。‎ ‎（2）实验吋，带有滑轮的长木板一端与细绳、实验桌之间的空间位置比较合理的是________。‎ ‎（3）实验时得到一条清晰的纸带，如图所示是截取了某一段纸带用刻度尺（单位：cm）测量纸带时的情景，其中取了A、B、C三个计数点，在相邻两计数点之间还有两个打印点，已知打点计时器所用电源频率为50Hz，则小车在B点时的瞬时速度为__________m/s，小车加速度为______ m/s2 （结果均保留两位有效数字）‎ ‎【答案】（1）ADE （2）B （3）0.50 4.3‎ ‎（2）本实验需要平衡摩擦力，所以长木板需要垫高不带滑轮的一端，还好保证细线与长木板表面平行，故B符合要求；‎ ‎【点睛】‎ 做分析匀变速直线运动情况时，其两个推论能使我们更为方便解决问题，一、在相等时间内走过的位移差是一个定值，即，二、在选定的某一过程中，中间时刻瞬时速度等于该过程中的平均速度．‎ ‎3．（浙江省杭州市2018年高考命题预测卷）高中物理实验多次用到图示实验装置：‎ ‎（1）下列说法正确的是（ ）‎ A．测定匀变速运动加速度用到此装置，需平衡摩擦力 B．探究加速度与力、质量关系用到此装置，需平衡摩擦力 C．探究功与速度变化的关系可用此装置，需平衡摩擦力 D．探究力的合成规律可用此装置，需平衡摩擦力 ‎（2）关于此装置平衡摩擦力的做法，下列正确的是（ ）‎ A．应挂上重物 B．应把右端木板适当垫高 C．小车应连接纸带并穿过打点计时器 D．在小车中加重物后应重新平衡摩擦力 ‎【答案】 （1）BC （2） BC ‎【解析】（1） 测定匀变速运动加速度用到此装置，不需平衡摩擦力，故A错误；‎ B、探究加速度与力、质量关系用到此装置，当小车在木板上滑动时，有摩擦力作用时，合外力不等于绳子的拉力，所以必须想办法将摩擦力平衡掉，故B正确；‎ C、探究功与速度变化的关系可用此装置，当小车在木板上滑动时，摩擦力对物体做负功，因此，合外力的功不等于弹力所做的功，所以必须想办法将摩擦力平衡掉，故C正确；‎ D、探究力的合成规律不用此装置，故D错误；‎ 故选BC；‎ ‎3．（浙江省杭州市2018年高考命题预测卷）用图示装置可以用来做“探究加速度与力、质量的关系”的实验 ‎（1）实验过程中，除了图中所示仪器之外，还需用到的器材是________；‎ A．秒表 B．天平 C．毫米刻度尺 D．干电池组 ‎ ‎（2）关于实验操作以下说法正确的有________：‎ A．应将长木板的右端适当垫高，以平衡摩擦力 B．滑轮与小车之间的细线应与长木板平行 C．实验时应先释放小车，再接通打点计时器的电源 D．砂桶与砂的总质量应远小于小车的质量 ‎（3）某次实验打下如图所示的一条纸带，图中各计数点之间还有四个点未标出。由图可知，实验中，纸带靠近____端连接小车（选填“0”或“5”）。根据图中数据，可以计算得到打下“3”时的速度大小为_____m/s，小车运动的加速度为_____m/s2（本小题计算结果保留2位小数）‎ ‎【答案】 （1）B； （2）ABD； （3）0； 0.27； 0.60；‎ ‎（3） 小车做匀加速运动，点与点间距越来越大，故纸带靠近0端连接小车；根据匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程中的平均速度，可以求出打纸带上3点时小车的瞬时速度大小 ‎；根据匀变速直线运动的推论公式可以求出加速度的大小 ‎4．（2018年4月浙江省普通高校招生选考科目考试（余高卷3月）物理模拟）（1）利用下图装置可以做力学中的若干实验，以下说法正确的是____（多选）。‎ A．用此装置“研究匀变速直线运动”时，必须设法消除小车和木板间的摩擦阻力的影响 B．在用此装置“探究加速度a与力F的关系”时，应使小盘和盘内砝码的总质量远小于小车的质量 C．用此装置“探究加速度a与力F的关系” 每次改变砝码及砝码盘总质量后，不需要重新平衡摩擦力 D．用此装置探究“探究功与速度变化的关系”实验时，不需要平衡小车运动中所受摩擦力的影响。‎ ‎（2）在用此装置做“探究加速度与力、质量的关系”时，下列说法正确的是_______（多选）‎ A．先释放纸带再接通电源 B．拉小车的细线应尽可能与长木板平行 C．纸带与小车相连端的点迹较密 D．轻推小车，拖着纸带的小车能够匀速下滑说明摩擦力已被平衡 ‎（3）如图所示是实验时打出的一条纸带，ABCD……为每隔2个打点取一计数点，据此纸带可知小车在E 点速度大小为_____m/s。‎ ‎【答案】（1）BC （2）BCD （3）0.40±0.01m/s ‎（2）实验中要先接通电源再释放纸带，选项A错误；拉小车的细线应尽可能与长木板平行，以减小实验的误差，选项B正确；纸带与小车相连端是运动刚开始时打出的点，则点迹较密，选项C正确；轻推小车，拖着纸带的小车能够匀速下滑说明摩擦力已被平衡，选项D正确；故选BCD.‎ ‎（3）由题意T=0.06s 求得 ‎ ‎5．（浙江省名校新高考研究联盟2018届高三第二次联考）（1）在下列学生实验中，能用图甲装置完成的实验是__________.‎ A．验证自由落体运动的机械能守恒 B．探究小车速度随时间变化的规律 C．探究加速度与力、质量的关系 D．探究做功与速度变化的关系 ‎（2）在下列学生实验中，需要平衡摩擦力的实验是 A．验证自由落体运动的机械能守恒 B．探究小车速度随时间变化的规律 C．探究加速度与力、质量的关系 D．探究不同力做的功与速度变化的关系 ‎（3）在某次实验中打出的纸带如图乙所示，其中A点的速度=__________m/s.（计算结果保留两位有效数字）；小明判断这可能是“验证落体运动的机械能守恒”实验中获取的纸带，他的判断是否正确______（填“正确”或“错误”）‎ ‎【答案】（1）BCD （2）CD （3）0.51～0.53；错误 ‎（1）自由落体运动是竖直方向上的运动，并且重物在竖直方向上不能受拉力作用，故不能验证自由落体运动的机械能守恒，A错误；该装置可以做“探究小车速度随时间变化的规律”、“探究加速度与力、质量的关系”和“探究做功与速度变化的关系”的实验，BCD正确；‎ ‎（2）验证自由落体运动的机械能守恒，是在竖直方向上进行的，不需要平衡摩擦力，A错误；“探究小车速度随时间变化的规律”，只要小车能做匀变速直线运动即可，即使不平衡摩擦力，小车依然做匀变速直线运动，即摩擦力存在不影响实验结果，B错误；探究加速度与力、质量的关系”和“探究做功与物体速度变化的关系”的实验，小车下滑时受到重力、细线的拉力、支持力和摩擦力，要使拉力等于合力，则应该用重力的下滑分量来平衡摩擦力，CD正确；‎ ‎（3）根据匀变速直线运动中间时刻速度推论可得；根据逐差公式可得，远小于重力加速度，故判断错误。‎ ‎6．（浙江省名校协作体2018届高三下学期3月考试）（1）下列器材中，实验“探究小车速度随时间的变化规律”、“探究加速度与力、质量的关系”、“用自由落体运动验证机械能守恒定律”都需要用到的实验器材是_____（填选项前的字母）。‎ ‎（2）小刘同学在做“探究求合力的的方法”实验时：‎ ‎①以下实验操作正确的是__________‎ ‎②以下为该同学在作平行四边形时的某一瞬间（直尺固定），其中正确的操作是_______‎ ‎③本实验采用的实验思想是______‎ A．控制变量法 B．等效替代法 C．放大法 ‎【答案】（1）BD （2）C C B ‎7．（浙江台州中学2018届高三上学期第四次统练）某实验小组用如图所示装置研究加速度与力的关系，图中带滑轮的长木板水平放置于桌面，拉力传感器可直接显示所受到的拉力大小．‎ ‎（1）实验时，下列操作必要且正确的是_______‎ A．未吊沙桶时将长木板右端适当垫高，使小车能自由匀速滑动 B．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，同时记录传感器的示数 C．改变砂和砂桶质量，打出几条纸带 D．用天平测出砂和砂桶的质量 E．为了减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的质量远小于小车的质量 ‎（2）若直接按上图所示装置进行实验，以传感器的示数F为横坐标，通过纸带分析得到的加速度a为纵坐标，画出的a﹣F图象合理的是______‎ ‎【答案】（1）ABC （2）B ‎（2）小车质量不变时，加速度与拉力成正比，所以a-F图象是一条倾斜的直线，由实验装置可知，实验前没有平衡摩擦力，则画出的a-F图象在F轴上有截距，故选：B．‎ 点睛：本题实验源于课本，但是又不同于课本，掌握纸带的处理方法，会通过纸带求解瞬时速度和加速度．注意在本实验中不需要满足砂和砂桶的总质量远小于小车的质量，因为拉力可以弹簧秤直接测出． ‎ ‎14．（2016届浙江温州高三第一次适应性测试（一模））如图1，三个实验场景A、B、C分别是某同学按照课本中的要求所做的“探究加速度与力、质量的关系”实验、“探究功与速度变化的关系”实验、“验证机械能守恒定律”实验。该同学正确操作获得了一系列纸带，但由于忘了标记，需要逐一对应分析。图2是该同学在实验中获得的一条纸带，图中纸带上各点是打点计时器连续打下的点。已知所用打点计时器频率为50Hz，完成以下问题。‎ ‎（1）由图2纸带可求出加速度大小为_______m/s2（保留二位有效数字），该纸带所对应的实验场景是______________（填A、B或C），其理由是 ‎__________________________________________________________________；‎ ‎（2）选用场景C的装置来“验证机械能守恒定律”的实验中，下列说法正确的是_______；‎ A．应选择下端带橡胶垫的重物 B．本实验不能使用电火花计时器 C．本实验必须选用打第1、2两个点之间的距离为2mm的纸带 D．根据v=gt计算重物在t时刻的速度从而获得动能 ‎（3）三个实验都用到了纸带，场景B中通过纸带以获取_______。‎ ‎【答案】（1）2.5m/s2、A；场景B变加速运动，场景C接近重力加速度（2）A（漏选给1分，错选或不选零分）（3）橡皮筋恢复原长时的速度 ‎【解析】试题分析：（1）根据逐差法可得，因为“验证机械能守恒定律”实验中加速度接近重力加速度，“探究功与速度变化的关系”实验过程中加速度是变化的，故该纸带所对应的实验场景是“探究加速度与力、质量的关系”实验中的纸带，‎ ‎【考点】考查了“验证机械能守恒定律”实验 ‎【点睛】正确解答实验问题的前提是明确实验原理，从实验原理出发进行分析所需实验器材、所测数据、误差分析等，会起到事半功倍的效果．通过该题理解验证性实验的特点，把握实验原理，提升实验能力，该题是考查基础实验知识的好题 ‎15．（2016届浙江建人高复学校高三上期第一次月考）如图为“用DIS（位移传感器、数据采集器、计算机）研究加速度与力的关系”的实验装置：‎ ‎（1）在该实验中必须采用控制变量法，应保持 ，用钩码所受的重力作为 。用DIS测出小车的加速度。‎ ‎（2）改变所挂钩码的数量，多次重复测量，在某次实验中根据测得的多组数据可画出a—F关系图线（如图所示）‎ ‎①分析此图线的OA段可得出的实验结论是 ‎ ‎②（单选题）此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是 ‎ A． 小车与轨道之间存在摩擦 B． 导轨保持了水平状态 C． 所挂钩码的总质量太大 D． 所用小车的质量太大 ‎（3）某同学为了探究物体在斜面上运动时摩擦力与斜面倾角的关系，设计实验装置如图：长直平板一端放在水平桌面上，另一端架在一物块上。在平板上标出A、B两点，B点处放置一光电门，用光电计时器记录滑块通过光电门时挡光的时间。‎ 实验步骤如下：①用游标卡尺测量滑块的挡光长度d, 用天平测量滑块的质量m；‎ ‎②用直尺测量AB之间的距离s, 以及A点到水平桌面的垂直距离h1，B点到水平桌面的垂直距离h2;‎ ‎③将滑块从A点静止释放，由光电计时器读出滑块的挡光时间t;‎ ‎④重复步骤③数次，并求挡光时间的平均值;‎ ‎⑤利用所测数据求出摩擦力Ff和斜面倾角的余弦值cos α；‎ ‎⑥多次改变斜面的倾角，重复实验步骤②③④⑤，作出Ff—cosα关系曲线.‎ 用以上测量的物理量完成下列各式（重力加速度为g）；‎ ‎①斜面倾角的余弦cosα= ‎ ‎②滑块通过光电门时的速度v= ‎ ‎③滑块运动时的加速度a= ‎ ‎④滑块运动时所受到的摩擦阻力Ff= ‎ ‎【答案】（1）小车总质量不变；小车所受合外力。（2）①质量不变时加速度与合外力成正比；② C；‎ ‎（3）① ② ③ ④‎ ‎【考点】研究加速度与力的关系”的实验。 ‎ ‎16．（2015届浙江杭州第二中学高三上期第一次月考）图（甲）为探究加速度与力、质量的关系实验装置示意图。图中打点计时器的电源为50 Hz的交流电源，打点的时间间隔用Δt表示。在小车质量未知的情况下，某同学设计了一种方法用来探究“在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量间的关系”。‎ ‎（1）完成下列实验步骤中的填空：‎ ‎①平衡小车所受的阻力：小吊盘中不放物块，调整木板右端的高度，用手轻拨小车，直到打点计时器打出一系列 的点；‎ ‎②按住小车，在小吊盘中放入适当质量的物块，在小车中放入砝码；‎ ‎③打开打点计时器电源，释放小车，获得带有点列的纸带，在纸带上标出小车中砝码的质量m；‎ ‎④按住小车，改变小车中砝码的质量，重复步骤③.；‎ ‎⑤在每条纸带上清晰的部分，每5个间隔标注一个计数点。测量相邻计数点的间距s1、s2、…求出与不同m相对应的加速度a。‎ ‎⑥以砝码的质量m为横坐标，为纵坐标，在坐标纸上作出－m关系图线.若加速度与小车和砝码的总质量成反比，则与m应成 关系（填“线性”或“非线性”）.‎ ‎（2）图（乙）为所得实验图线的示意图。设图中直线的斜率为k，在纵轴上的截距为b，若牛顿定律成立，则小车受到的拉力为 ，小车的质量为 。‎ ‎【答案】（1）①间距相等 ⑥线性 （2）‎ ‎【考点】探究加速度与力、质量的关系