2019版高考物理一輪復(fù)習(xí) 實(shí)驗(yàn)增分 專題4 探究加速度與力學(xué)案

實(shí)驗(yàn)四探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系考綱要求考情分析命題趨勢(shì)驗(yàn)證牛頓第二定律2016·全國(guó)卷，232015·全國(guó)卷，22高考對(duì)本實(shí)驗(yàn)的考查主要側(cè)重于以下三個(gè)方面：1.實(shí)驗(yàn)條件的控制，如托盤砝碼的總質(zhì)量要遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量、平衡摩擦力等；2.對(duì)“控制變量法”的理解和應(yīng)用；3.通過圖象分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及誤差分析知識(shí)梳理·夯實(shí)基礎(chǔ)一、實(shí)驗(yàn)流程二、注意事項(xiàng)1實(shí)驗(yàn)方法：控制變量法2平衡摩擦力：不懸掛小盤，但小車連著紙帶3不重復(fù)：不重復(fù)平衡摩擦力4實(shí)驗(yàn)條件：Mm.小盤和砝碼的總重力可視為小車受到的拉力5一先一后一按?。合冉油娫?，后放小車，且在小車到達(dá)滑輪前按住小球6作圖：作圖時(shí)兩軸標(biāo)度比例要適當(dāng)，各量須采用國(guó)際單位三、誤差分析1因?qū)嶒?yàn)原理不完善引起誤差以小車、小盤和砝碼整體為研究對(duì)象得mg(Mm)a；以小車為研究對(duì)象得FMa；求得Fmgmg<mg.本實(shí)驗(yàn)用小盤和砝碼的總重力mg代替小車的拉力，而實(shí)際上小車所受的拉力要小于小盤和砝碼的總重力小盤和砝碼的總質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量，由此引起的誤差就越小因此，滿足小盤和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量的目的就是減小因?qū)嶒?yàn)原理不完善而引起的誤差2摩擦力平衡不準(zhǔn)確造成誤差在平衡摩擦力時(shí)，除了不掛小盤外，其他的均與正式實(shí)驗(yàn)一樣(比如要掛好紙帶、接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)，勻速運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上各相鄰兩點(diǎn)間的距離相等3質(zhì)量的測(cè)量誤差、紙帶上打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)間隔距離的測(cè)量誤差、細(xì)繩或紙帶不與木板平行等都會(huì)引起誤差核心考點(diǎn)·分層突破考點(diǎn)1實(shí)驗(yàn)原理與基本操作例1圖為“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖砂和砂桶的總質(zhì)量為m，小車和砝碼的總質(zhì)量為M.實(shí)驗(yàn)中用砂和砂桶總重力的大小作為細(xì)線對(duì)小車?yán)Φ拇笮?1)實(shí)驗(yàn)中，為了使細(xì)線對(duì)小車的拉力等于小車所受的合外力，先調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板一端滑輪的高度，使細(xì)線與長(zhǎng)木板平行接下來還需要進(jìn)行的一項(xiàng)操作是_B_.(填正確答案標(biāo)號(hào))A將長(zhǎng)木板水平放置，讓小車連著已經(jīng)穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶，給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電，調(diào)節(jié)m的大小，使小車在砂和砂桶的牽引下運(yùn)動(dòng)，從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng)B將長(zhǎng)木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，讓小車連著已經(jīng)穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶，撤去砂和砂桶，給打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電，輕推小車，從打出的紙帶判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng)C將長(zhǎng)木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，撤去紙帶以及砂和砂桶，輕推小車，觀察判斷小車是否做勻速運(yùn)動(dòng)(2)實(shí)驗(yàn)中要進(jìn)行質(zhì)量m和M的選取，以下最合理的一組是_C_.(選填正確答案標(biāo)號(hào))AM200 gm10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 gBM200 gm20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 gCM400 gm10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、40 gDM400 gm20 g、40 g、60 g、80 g、100 g、120 g(3)如圖所示，是實(shí)驗(yàn)中得到的一條紙帶，A、B、C、D、E、F、G為7個(gè)相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰的兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有四個(gè)點(diǎn)未畫出量出相鄰的計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離分別為xAB4.22 cm、xBC4.65 cm、xCD5.08 cm、xDE5.49 cm、xEF5.91 cm、xFG6.34 cm.已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的工作頻率為50 Hz，則小車的加速度a_0.42_m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)解析(1)小車在運(yùn)動(dòng)過程中受到重力、支持力、紙帶的拉力、木板對(duì)小車的摩擦力和細(xì)線拉力的作用為了使細(xì)線對(duì)小車的拉力等于小車所受的合力，應(yīng)把木板的一端墊起適當(dāng)?shù)母叨?，以使重力、支持力、紙帶的拉力和摩擦力的合力為零，即小車做勻速運(yùn)動(dòng)，因此在進(jìn)行這一操作時(shí)，不應(yīng)掛砂桶，小車應(yīng)連接紙帶，選項(xiàng)A、C錯(cuò)誤，B正確(2)由于細(xì)線的拉力不易測(cè)量，本實(shí)驗(yàn)中用砂和砂桶的總重力來代替細(xì)線的拉力，而砂桶做加速運(yùn)動(dòng)，設(shè)加速度大小為a，則FTm(ga)，當(dāng)砂桶的加速度很小時(shí)，F(xiàn)T近似等于mg，因此實(shí)驗(yàn)中應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)條件，使砂桶的加速度很小只有當(dāng)小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于砂和砂桶的總質(zhì)量時(shí)，小車和砂桶的加速度才很小，細(xì)線的拉力才近似等于砂和砂桶的總重力選項(xiàng)C正確(3)相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間T0.1 s，由xaT2可得a，代入數(shù)據(jù)解得a0.42 m/s2.考點(diǎn)2實(shí)驗(yàn)原理與數(shù)據(jù)處理例2某物理實(shí)驗(yàn)課外小組利用圖甲中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系圖甲中，置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的長(zhǎng)木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼本實(shí)驗(yàn)中可用的鉤碼共有N5個(gè)，每個(gè)質(zhì)量均為0.010 kg.實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)將5個(gè)鉤碼全部放入小車中，在長(zhǎng)木板左下方墊上適當(dāng)厚度的小物塊，使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑(2)將n(依次取n1,2,3,4,5)個(gè)鉤碼掛在輕繩右端，其余Nn個(gè)鉤碼仍留在小車內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行，釋放小車，同時(shí)用傳感器記錄小車在時(shí)刻t相對(duì)于位移其起始位置的位移s，繪制st圖象，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度a.(3)對(duì)應(yīng)于不同的n的a值見下表n2的st圖象如圖乙所示，由圖乙求出此時(shí)小車的加速度(保留兩位有效數(shù)字)，將結(jié)果填入下表.n12345a/(m·s2)0.20_0.39_0.580.781.00(4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖丙中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn)，并作出an圖象從圖象可以看出：當(dāng)物體質(zhì)量一定時(shí)，物體的加速度與其所受的合外力成正比丙(5)利用an圖象求得小車(空載)的質(zhì)量為_0.44_kg.(保留兩位有效數(shù)字，重力加速度取g9.8 m/s2)(6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1)，下列說法正確的是_BC_(填入正確選項(xiàng)前的標(biāo)號(hào))Aan圖線不再是直線Ban圖線仍是直線，但該直線不過原點(diǎn)Can圖線仍是直線，但該直線的斜率變大解析(3)因?yàn)樾≤囎龀跛俣葹榱愕膭蚣铀俣戎本€運(yùn)動(dòng)，將題圖乙中點(diǎn)(2,0.78)代入sat2可得a0.39 m/s2.(4)根據(jù)描點(diǎn)法可得如圖所示圖線(5)根據(jù)牛頓第二定定律可得nmg(M5m)a，則an，圖線斜率k，可得M0.44 kg.(6)若不平衡摩擦力，則有nmgM(5n)mg(M5m)a，則an，所以an圖線仍是直線，但直線不過原點(diǎn)，斜率變大，故選項(xiàng)B、C正確答案(4)見解析圖考點(diǎn)3實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新高考命題對(duì)本實(shí)驗(yàn)可從下列幾個(gè)方面創(chuàng)新1實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)：(1)氣墊導(dǎo)軌替代長(zhǎng)木板；(2)光電門替代打點(diǎn)計(jì)時(shí)器2實(shí)驗(yàn)方法的改進(jìn)：(1)用力傳感器或彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量對(duì)小車的拉力；(2)在驗(yàn)證a與F的關(guān)系時(shí)，保持小車、鉤碼和桶的總質(zhì)量不變3數(shù)據(jù)處理方法的改進(jìn)：小車的加速度可以利用傳感器，借助于計(jì)算機(jī)來處理例3(2017·北京朝陽模擬)某探究學(xué)習(xí)小組的同學(xué)要探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室組裝了一套如圖甲所示的裝置，水平軌道上安裝兩個(gè)光電門，小車上固定有力傳感器和擋光板，細(xì)線一端與力傳感器連接，另一端跨過定滑輪掛上砝碼盤實(shí)驗(yàn)首先保持軌道水平，通過調(diào)整砝碼盤里砝碼的質(zhì)量讓小車做勻速運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)平衡摩擦力，再進(jìn)行后面的操作，并在實(shí)驗(yàn)中獲得以下測(cè)量數(shù)據(jù)：小車、力傳感器和擋光板的總質(zhì)量M，平衡摩擦力時(shí)砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量m0，擋光板的寬度d，光電門1和2的中心距離s.甲(1)該實(shí)驗(yàn)是否需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于車的質(zhì)量？_不需要_.(選填“需要”或“不需要”)(2)實(shí)驗(yàn)需用游標(biāo)卡尺測(cè)量擋光板的寬度d，如圖乙所示，d_5.50_mm.乙(3)某次實(shí)驗(yàn)過程：力傳感器的讀數(shù)為F，小車通過光電門1和2的擋光時(shí)間分別為t1、t2(小車通過光電門2后，砝碼盤才落地)，已知重力加速度為g，則該實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)證的表達(dá)式是_FMm0g_.解析(1)因?yàn)榧?xì)線一端與力傳感器連接，細(xì)線的拉力可以直接測(cè)得，無需近似等于砝碼盤及砝碼重力，所以不需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于車的質(zhì)量(2)主尺讀數(shù)為5 mm，游標(biāo)尺讀數(shù)為10×0.05 mm0.50 mm，則d5.50 mm.(3)小車通過光電門1時(shí)的速度v1，通過光電門2時(shí)的速度v2，驗(yàn)證FMm0gMm0g，即驗(yàn)證了牛頓第二定律對(duì)應(yīng)演練·遷移運(yùn)用1(2018·湖北武漢華師一附中模擬)為了探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系甲、乙、丙三位同學(xué)分別設(shè)計(jì)了如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，小車總質(zhì)量用M表示(乙圖中M包括小車與傳感器，丙圖中M包括小車和與小車固連的滑輪)，鉤碼總質(zhì)量用m表示(1)為便于測(cè)量合外力的大小，并得到小車總質(zhì)量一定時(shí)，小車的加速度與所受合外力成正比的結(jié)論下列說法正確的是(BC)A三組實(shí)驗(yàn)中只有甲需要平衡摩擦力B三組實(shí)驗(yàn)都需要平衡摩擦力C三組實(shí)驗(yàn)中只有甲需要滿足所掛鉤碼的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的總質(zhì)量M的條件D三組實(shí)驗(yàn)都需要滿足所掛鉤碼的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的總質(zhì)量M的條件(2)若乙、丙兩位同學(xué)發(fā)現(xiàn)某次測(cè)量中力傳感器和測(cè)力計(jì)讀數(shù)相同，通過計(jì)算得到小車加速度均為a，ag，g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣葎t乙、丙兩人實(shí)驗(yàn)時(shí)所用小車總質(zhì)量之比為_12_，乙、丙兩人實(shí)驗(yàn)用的鉤碼總質(zhì)量之比為_12_.解析(1)為便于測(cè)量合外力的大小，甲圖通過鉤碼的總質(zhì)量對(duì)應(yīng)的重力即為合外力，而乙圖是力傳感器的示數(shù)，丙圖則是測(cè)力計(jì)的2倍，因此它們都必須平衡摩擦力，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；由于甲圖通過鉤碼的總質(zhì)量對(duì)應(yīng)的重力即為合外力，因此三組實(shí)驗(yàn)中只有甲需要滿足所掛鉤碼的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的總質(zhì)量M的條件，故選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤(2)乙、丙兩位同學(xué)發(fā)現(xiàn)某次測(cè)量中力傳感器和測(cè)力計(jì)讀數(shù)相同，且通過計(jì)算得到小車加速度均為a，根據(jù)牛頓第二定律，則有FM乙a，2FM丙a；因此乙、丙兩人實(shí)驗(yàn)時(shí)所用小車總質(zhì)量之比為12；由牛頓第二定律，對(duì)砝碼研究，則有m乙gFm乙a，而m丙gFm丙2a，因ag，解得m乙m丙12；即乙、丙兩人實(shí)驗(yàn)用的鉤碼總質(zhì)量之比為12.2(2017·上海奉賢調(diào)研)用圖甲的裝置“驗(yàn)證牛頓第二定律”時(shí)有兩個(gè)“巧妙”的設(shè)計(jì)，一是要求小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于砂和砂桶的質(zhì)量之和；二是對(duì)小車要進(jìn)行“平衡摩擦力”操作回答下列問題：(1)實(shí)驗(yàn)要求“小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于砂和砂桶的質(zhì)量之和”的目的是_小車所受拉力近似等于砂和砂桶的總重力_.(2)對(duì)小車進(jìn)行“平衡摩擦力”的操作時(shí)，下列必須進(jìn)行的是_AD_.(選填字母序號(hào))A取下砂和砂桶B在空砂桶的牽引下，輕推一下小車，小車能做勻速直線運(yùn)動(dòng)C小車拖著穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源應(yīng)斷開D把長(zhǎng)木板沒有定滑輪的一端墊起適當(dāng)高度(3)在滿足實(shí)驗(yàn)條件下，某同學(xué)得到了如圖乙的圖線(M為小車和砝碼的總質(zhì)量)，圖線在縱軸上截距不為零的原因是_長(zhǎng)木板傾角過大_.解析小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于砂和砂桶的質(zhì)量之和時(shí)，小車和砂桶的加速度很小，此時(shí)砂和砂桶的總重力近似等于小車所受拉力，從而驗(yàn)證小車加速度與合外力的關(guān)系；(2)平衡摩擦力是使小車所受重力沿木板方向分力與小車所受摩擦力平衡，故選項(xiàng)A、D正確，B錯(cuò)誤；為確定小車是否為勻速運(yùn)動(dòng)，需要通過紙帶上點(diǎn)跡是否均勻來判斷，故選項(xiàng)C錯(cuò)誤；(3)縱截距不為零，即使小車質(zhì)量M非常大時(shí)，小車仍有加速度，說明小車不受拉力作用時(shí)也具有加速度，因此可以斷定平衡摩擦力時(shí)長(zhǎng)木板傾角過大3某學(xué)習(xí)小組用圖甲所示的裝置探究加速度與合力的關(guān)系裝置中的鋁箱下端連接紙帶，砂桶中可放置砂子以改變鋁箱所受的外力大小，鋁箱向上運(yùn)動(dòng)的加速度a可由打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶測(cè)出現(xiàn)保持鋁箱總質(zhì)量不變，逐漸增大砂桶和砂的總質(zhì)量進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，得到多組a、F值(F為力傳感器的示數(shù)，等于懸掛滑輪繩子的拉力)，不計(jì)滑輪的重力(1)某同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出了aF關(guān)系圖線如圖乙所示，則由該圖象可得鋁箱總質(zhì)量m_m0.20_kg_，重力加速度g_g10_m/s2_.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(2)當(dāng)砂桶和砂的總質(zhì)量M較大導(dǎo)致a較大時(shí)，實(shí)驗(yàn)得到的加速度a的值可能是_CD_.(填選項(xiàng)前的字母)A12.0 m/s2B10.0 m/s2C5.0 m/s2D6.0 m/s2解析(1)由題意知，輕繩對(duì)鋁箱的拉力為，對(duì)鋁箱有mgma，即aFg，對(duì)照aF圖象有得m0.20 kg，g10 m/s2.(2)砂桶和砂的總質(zhì)量M越大，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的加速度a也越大，但a一定小于g，故選項(xiàng)C、D正確4如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置可以探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，小車上固定一個(gè)盒子，盒子內(nèi)盛有砂子砂桶的總質(zhì)量(包括桶以及桶內(nèi)砂子質(zhì)量)記為m，小車的總質(zhì)量(包括車、盒子及盒內(nèi)砂子質(zhì)量)記為M.實(shí)驗(yàn)前，先不掛砂桶，適當(dāng)抬升長(zhǎng)木板的右端，通過調(diào)節(jié)平衡車受到的摩擦力(1)驗(yàn)證在質(zhì)量不變的情況下，加速度與合力成正比從盒子中取出一些砂子，裝入砂桶中，稱量并記錄砂桶的總重力mg，將該力視為合力F，對(duì)應(yīng)的加速度a則從打下的紙帶中計(jì)算得出多次改變合力F的大小，每次都會(huì)得到一個(gè)相應(yīng)的加速度本次實(shí)驗(yàn)中，桶內(nèi)的砂子取自小車中，故系統(tǒng)的總質(zhì)量不變以合力F為橫軸，以加速度a為縱軸，畫出aF圖象，圖象是一條過原點(diǎn)的直線aF圖象斜率的物理意義是_.你認(rèn)為把砂桶的總重力mg當(dāng)做合力F是否合理？答：_合理_.(選填“合理”或“不合理”)本次實(shí)驗(yàn)中，是否應(yīng)該滿足Mm這樣的條件？答：_否_；(選填“是”或“否”)理由是_因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)受到的合力就等于mg_.(2)驗(yàn)證在合力不變的情況下，加速度與質(zhì)量成反比保持桶內(nèi)砂子質(zhì)量m不變，在盒子內(nèi)添加或去掉一些砂子，驗(yàn)證加速度與質(zhì)量的關(guān)系本次實(shí)驗(yàn)中，桶內(nèi)的砂子總質(zhì)量不變，故系統(tǒng)所受的合力不變用圖象法處理數(shù)據(jù)時(shí)，以加速度a為縱軸，應(yīng)該以_Mm_的倒數(shù)為橫軸解析(1)將小車內(nèi)的砂子轉(zhuǎn)移到桶中，就保證了Mm不變，即系統(tǒng)的總質(zhì)量不變，研究對(duì)象是整個(gè)系統(tǒng)，a，可見aF圖象斜率的物理意義是，系統(tǒng)的合力就等于所懸掛砂桶的總重力mg，不必滿足Mm這樣的條件(2)向小車內(nèi)添加或去掉部分砂子，是改變系統(tǒng)的總質(zhì)量Mm，而系統(tǒng)的合力仍等于所懸掛砂桶的總重力mg，保證了合力不變10