【步步高】2020年高考物理大一輪 實(shí)驗(yàn)四 探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系 新人教版必修1

實(shí)驗(yàn)四探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)會(huì)用控制變量法研究物理規(guī)律2驗(yàn)證牛頓第二定律3掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法二、實(shí)驗(yàn)原理探究加速度a與力F及質(zhì)量m的關(guān)系時(shí)，應(yīng)用的基本方法是控制變量法，即先控制一個(gè)參量小車的質(zhì)量m不變，討論加速度a與力F的關(guān)系，再控制小盤和砝碼的質(zhì)量不變，即力F不變，改變小車質(zhì)量m，討論加速度a與m的關(guān)系三、實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、復(fù)寫紙、小車、一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板、小盤、夾子、細(xì)繩、低壓交流電源、導(dǎo)線、天平、刻度尺、砝碼四、實(shí)驗(yàn)步驟1用天平測(cè)出小車和盛有砝碼的小盤的質(zhì)量m和m.2安裝實(shí)驗(yàn)器材(如圖1所示)圖13平衡摩擦力4小盤繞過(guò)滑輪系于小車上，先通電源后放開(kāi)小車，取下紙帶編號(hào)碼5保持小車的質(zhì)量m不變，改變砝碼和小盤的質(zhì)量m，重復(fù)步驟4.6在每條紙帶上選取一段比較理想的部分，測(cè)加速度a.7作aF的圖象，描點(diǎn)作圖，若這些點(diǎn)在一條直線上，證明了加速度與力成正比8保持砝碼和小盤的質(zhì)量m不變，改變小車質(zhì)量m，重復(fù)步驟4和6，作a圖象，若圖象為一直線，則證明加速度與質(zhì)量成反比五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法圖象法、化曲為直的方法1探究加速度與力的關(guān)系以加速度a為縱坐標(biāo)，以F為橫坐標(biāo)，根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)描點(diǎn)，然后作出圖象，看圖象是否是通過(guò)原點(diǎn)的直線，就能判斷a與F是否成正比2探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系以a為縱坐標(biāo)、m為橫坐標(biāo)，根據(jù)各組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點(diǎn)，將會(huì)得到如圖2甲所示的一條曲線由圖線只能看出m增大時(shí)a減小，但a與m具體是什么關(guān)系，不能得出若以a為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，將會(huì)得到如圖乙所示的一條過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線，據(jù)此可判斷a與m成反比圖23方法總結(jié)利用圖象處理數(shù)據(jù)是物理實(shí)驗(yàn)中常用的重要方法在實(shí)驗(yàn)中如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)量x與另一個(gè)量y成反比，那么，x就應(yīng)與成正比因?yàn)樵谔幚頂?shù)據(jù)時(shí)，判斷正比例函數(shù)圖象比判斷一條曲線是否為反比例函數(shù)圖象要簡(jiǎn)單和直觀得多，所以可以將反比例函數(shù)的曲線轉(zhuǎn)化為正比例函數(shù)的直線進(jìn)行處理六、注意事項(xiàng)1平衡摩擦力：一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是調(diào)出一個(gè)合適的斜面，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受的摩擦阻力在平衡摩擦力時(shí)，不要把懸掛小盤的細(xì)線系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著打點(diǎn)的紙帶運(yùn)動(dòng)2不重復(fù)平衡摩擦力：實(shí)驗(yàn)步驟2、3不需要重復(fù)，即整個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤和砝碼的總質(zhì)量還是改變小車的質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力3實(shí)驗(yàn)條件：每條紙帶必須在滿足小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤和砝碼的總質(zhì)量的條件下打出只有如此，小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力4一先一后：改變拉力和小車質(zhì)量后，每次開(kāi)始時(shí)小車應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并應(yīng)先接通電源，再釋放小車記憶口訣平衡摩擦紙帶掛，小車板上勻速滑；若要盤碼當(dāng)拉力，其重與車不可比；先通電源后放車，紙帶應(yīng)選易于測(cè)；曲線化直好思想，作圖比例要適當(dāng).例1某實(shí)驗(yàn)小組在“探究加速度與物體受力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)出如下的實(shí)驗(yàn)方案，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示已知小車質(zhì)量M214.6 g，砝碼盤質(zhì)量m07.8 g，所使用的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器交流電頻率f50 Hz.其實(shí)驗(yàn)步驟 是：A按圖中所示安裝好實(shí)驗(yàn)裝置；圖3B調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長(zhǎng)木板向下做勻速運(yùn)動(dòng)；C取下細(xì)繩和砝碼盤，記下砝碼盤中砝碼的質(zhì)量m；D先接通電源，再放開(kāi)小車，打出一條紙帶，由紙帶求得小車的加速度a；E重新掛上細(xì)繩和砝碼盤，改變砝碼盤中砝碼的質(zhì)量，重復(fù)BD步驟，求得小車在不同合外力F作用下的加速度回答下列問(wèn)題：(1)按上述方案做實(shí)驗(yàn)，是否要求砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量？_(填“是”或“否”)(2)實(shí)驗(yàn)中打出的其中一條紙帶如圖4所示，由該紙帶可求得小車的加速度a_ m/s2.圖4(3)某同學(xué)將有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)填入他所設(shè)計(jì)的表格中，如下表，次數(shù)12345砝碼盤中砝碼的重力F/N0.100.200.290.390.49小車的加速度a/(m·s2)0.881.441.842.382.89他根據(jù)表中的數(shù)據(jù)畫出aF圖象(如圖5)造成圖線不過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的一條最主要原因是_ _，從該圖線延長(zhǎng)線與橫軸的交點(diǎn)可求出的物理量是_，其大小為_(kāi)圖5例2某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖6所示的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)探究當(dāng)合外力一定時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)的加速度與其質(zhì)量之間的關(guān)系圖6(1) 由圖中刻度尺讀出兩個(gè)光電門中心之間的距離x24 cm，由圖7中游標(biāo)卡尺測(cè)得遮光條的寬度d_ cm.該實(shí)驗(yàn)小組在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，將滑塊從如圖6所示位置由靜止釋放，由數(shù)字計(jì)時(shí)器可圖7以讀出遮光條通過(guò)光電門1的時(shí)間t1，遮光條通過(guò)光電門2的時(shí)間t2，則滑塊經(jīng)過(guò)光電門1時(shí)的瞬時(shí)速度的表達(dá)式v1_，滑塊經(jīng)過(guò)光電門2時(shí)的瞬時(shí)速度的表達(dá)式v2_，則滑塊的加速度的表達(dá)式a_.(以上表達(dá)式均用字母表示) (2)在本次實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)小組通過(guò)改變滑塊質(zhì)量總共做了6組實(shí)驗(yàn)，得到如表所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)分析表中數(shù)據(jù)后，你得出的結(jié)論是_.m(g)a(m·s2)2502.023001.653501.334001.255001.008000.63(3)現(xiàn)需通過(guò)圖象進(jìn)一步驗(yàn)證你的結(jié)論，請(qǐng)利用表格數(shù)據(jù)，在如圖8所示坐標(biāo)系中描點(diǎn)作出相應(yīng)圖象圖89.近似法、控制變量法、平衡摩擦力法和化曲為直法圖9例3某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)“探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì) 量m的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)如圖9為實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖，A為小車，B為電火花計(jì)時(shí)器，C為裝有砝碼的小盤，D為一端帶有定滑輪的長(zhǎng)方形木板，實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為細(xì)繩對(duì)小車?yán)等于砝碼和小盤的總重力，小車運(yùn)動(dòng)加速度a可用紙帶上的打點(diǎn)求得圖10(1)圖10為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為_(kāi) m/s2.(保留兩位有效數(shù)字)(2)在“探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系”時(shí)，保持砝碼和小盤質(zhì)量不變，改變小車質(zhì)量m，分別得到小車加速度a與質(zhì)量m的數(shù)據(jù)如下表：實(shí)驗(yàn)次數(shù)123456789小車加速度a/(m·s2)1.981.721.481.251.000.750.480.500.30小車質(zhì)量m/kg0.250.290.330.400.500.710.751.001.67根據(jù)上表數(shù)據(jù)，為直觀反映F不變時(shí)a與m的關(guān)系，請(qǐng)?jiān)趫D11的方格坐標(biāo)紙中選擇恰當(dāng)物理量建立坐標(biāo)系，并作出圖線(如有需要，可利用上表中的空格數(shù)據(jù))圖11(3)在“探究加速度與力的關(guān)系”時(shí)，保持小車的質(zhì)量不變，改變小盤中砝碼的質(zhì)量，該同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a與合力F的關(guān)系圖線如圖12所示，該圖線不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，試分析圖線不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的原因圖12答：_.例4為了探究加速度與力的關(guān)系，使用如圖13所示的氣墊導(dǎo)軌裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)其中G1、G2為兩個(gè)光電門，它們與數(shù)字計(jì)時(shí)器相連，當(dāng)滑行器通過(guò)G1、G2光電門時(shí)，光束被遮擋的時(shí)間t1、t2都可以被測(cè)量并記錄滑行器連同上面固定的一條形擋光片的總質(zhì)量為M，擋光片寬度為D，光電門間距離為s，牽引砝碼的質(zhì)量為m.回答下列問(wèn)題：圖13(1)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始應(yīng)先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺釘，使氣墊導(dǎo)軌水平，在不增加其他儀器的情況下，如何判定調(diào)節(jié)是否到位？答：_.(2)若取M0.4 kg，改變m的值進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，以下m的取值不合適的一個(gè)是_Am5 g Bm15 gCm40 g Dm400 g(3)在此實(shí)驗(yàn)中，需要測(cè)得每一個(gè)牽引力對(duì)應(yīng)的加速度，其中求得的加速度的表達(dá)式為：_.(用t1、t2、D、s表示)方法提煉在驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)中，近似法是指繩對(duì)小車的拉力近似等于繩另一端連接的小盤和砝碼的總重力，近似法要在小盤和砝碼的總重力遠(yuǎn)小于小車的重力的情況下才能用控制變量法是指分別研究加速度與力、加速度與質(zhì)量關(guān)系時(shí)用到的方法，在實(shí)驗(yàn)中的具體體現(xiàn)是：研究加速度與力的關(guān)系時(shí)，保持小車質(zhì)量不變；研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，保持小盤和砝碼的總重力不變平衡摩擦力法是指通過(guò)調(diào)整斜面傾角，讓小車重力沿斜面的分力與摩擦力抵消，使小車受到的合外力等于繩對(duì)小車的拉力，體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)中是讓小車不掛小盤時(shí)能在斜面上勻速運(yùn)動(dòng)化曲為直法是指處理數(shù)據(jù)時(shí)，不作am圖象而作a圖象，反映在圖象中就是把原來(lái)的曲線變成傾斜的直線跟蹤訓(xùn)練在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系活動(dòng)中，某小組設(shè)計(jì)了如圖14所示的實(shí)驗(yàn)裝置圖中上下兩層水平軌道表面光滑，兩小車前端系上細(xì)線，細(xì)線跨過(guò)滑輪并掛上砝碼盤，兩小車尾部細(xì)線連到控制裝置上，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)控制裝置使兩小車同時(shí)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，然后同時(shí)停止圖14(1)在安裝實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，應(yīng)調(diào)整滑輪的高度，使_；同時(shí)軌道應(yīng)適當(dāng)_，使小車在不掛砝碼盤時(shí)恰好在軌道上做_，以平衡摩擦力(2)在實(shí)驗(yàn)時(shí)，為減小系統(tǒng)誤差，應(yīng)使砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量_小車的質(zhì)量(選填“遠(yuǎn)大于”、“遠(yuǎn)小于”或“等于”)(3)本實(shí)驗(yàn)通過(guò)比較兩小車的位移來(lái)比較小車加速度的大小，能這樣比較，是因?yàn)開(kāi). (4)要驗(yàn)證加速度與力成正比時(shí)，應(yīng)使_相同且不變，而改變_要驗(yàn)證加速度與質(zhì)量成反比時(shí)，應(yīng)使_相同且不變，而改變_.1在利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和小車來(lái)做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，下列說(shuō)法中正確的是 ()A平衡摩擦力時(shí)，應(yīng)將砝碼盤及盤內(nèi)砝碼通過(guò)定滑輪拴在小車上B連接砝碼盤和小車的細(xì)繩應(yīng)跟長(zhǎng)木板保持平行C平衡摩擦力后，長(zhǎng)木板的位置不能移動(dòng)D小車釋放前應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，且應(yīng)先接通電源再釋放小車2“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，主要的步驟有：A將一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板放在水平桌面上，取兩個(gè)質(zhì)量相等的小車，放在光滑的水平長(zhǎng)木板上B打開(kāi)夾子，讓兩個(gè)小車同時(shí)從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，小車運(yùn)動(dòng)一段距離后，夾上夾子，讓它們同時(shí)停下來(lái)，用刻度尺分別測(cè)出兩個(gè)小車在這一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)的位移大小C分析所得到的兩個(gè)小車在相同時(shí)間內(nèi)通過(guò)的位移大小與小車所受的水平拉力的大小關(guān)系，從而得到質(zhì)量相等的物體運(yùn)動(dòng)的加速度與物體所受作用力大小的關(guān)系D在小車的后端也分別系上細(xì)繩，用一只夾子夾住這兩根細(xì)繩E在小車的前端分別系上細(xì)繩，繩的另一端跨過(guò)定滑輪各掛一個(gè)小盤，盤內(nèi)分別放著數(shù)目不等的砝碼，使砝碼盤和盤內(nèi)砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量分別用天平測(cè)出兩個(gè)砝碼盤和盤內(nèi)砝碼的總質(zhì)量上述實(shí)驗(yàn)步驟，正確的排列順序是_3(2020·山東理綜·23(1)圖15某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖15所示的裝置來(lái)探究加速度與力的關(guān)系彈簧秤固定在一合適的木板上，桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪，細(xì)繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水瓶連接在桌面上畫出兩條平行線MN、PQ，并測(cè)出間距d.開(kāi)始時(shí)將木板置于MN處，現(xiàn)緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)為止，記下彈簧秤的示數(shù)F0，以此表示滑動(dòng)摩擦力的大小再將木板放回原處并按住，繼續(xù)向瓶中加水后，記下彈簧秤的示數(shù)F1，然后釋放木板，并用秒表記下木板運(yùn)動(dòng)到PQ處的時(shí)間t.木板的加速度可以用d、t表示為a_；為了減小測(cè)量加速度的偶然誤差可以采用的方法是(一種即可) _.改變瓶中水的質(zhì)量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，確定加速度a與彈簧秤示數(shù)F1的關(guān)系下列圖象能表示該同學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的是 ()用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點(diǎn)是_a可以改變滑動(dòng)摩擦力的大小b可以更方便地獲取多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)c可以比較精確地測(cè)出摩擦力的大小d可以獲得更大的加速度以提高實(shí)驗(yàn)精度4(2020·江蘇·11)圖16為了探究受到空氣阻力時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律，某同學(xué)采用了“加速度與物體質(zhì)量、物體受力關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置(如圖16所示)實(shí)驗(yàn)時(shí)，平衡小車與木板之間的摩擦力后，在小車上安裝一薄板，以增大空氣對(duì)小車運(yùn)動(dòng)的阻力(1)往砝碼盤中加入一小砝碼，在釋放小車_(選填“之前”或“之后”)接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源，在紙帶上打出一系列的點(diǎn)(2)從紙帶上選取若干計(jì)數(shù)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得出各計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間t與速度v的數(shù)據(jù)如下表：時(shí)間t/s00.501.001.502.002.50速度v/(m·s1)0.120.190.230.260.280.29請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在圖17中作出小車的vt圖象圖17(2) 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，該同學(xué)認(rèn)為：隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加，小車所受的空氣阻力將變大，你是否同意他的觀點(diǎn)？請(qǐng)根據(jù)vt圖象簡(jiǎn)要闡述理由答案課堂探究例1(1)否(2)0.88(3)在計(jì)算小車所受的合外力時(shí)未計(jì)入砝碼盤的重力(只要涉及“未考慮砝碼盤的因素”就算正確)砝碼盤的重力0.08 N (0.070.08 N均正確)例2(1)0.52(2)(3)見(jiàn)解析解析(3)如圖所示例3(1)3.2(2)見(jiàn)解析(3)實(shí)驗(yàn)前未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分 解析(2)從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著質(zhì)量的增大，加速度逐漸減小算出的值，從左到右依次是：4.003.453.032.502.001411.331.000.60以橫坐標(biāo)表示，以縱坐標(biāo)表示加速度a，描點(diǎn)，可以看到多數(shù)點(diǎn)在一條直線上，只有(1.33,0.48)偏離直線較遠(yuǎn)，舍去此點(diǎn)，作出圖象如圖所示例4(1)見(jiàn)解析(2)D(3)a解析(1)取下?tīng)恳来a，滑行器放在任意位置都不移動(dòng)，或取下?tīng)恳来a，輕推滑行器M，數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄每一個(gè)光電門的光束被遮擋的時(shí)間t都相等跟蹤訓(xùn)練(1)細(xì)線與軌道平行傾斜勻速運(yùn)動(dòng)(2)遠(yuǎn)小于(3)兩小車從靜止開(kāi)始做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，且兩小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等(4)兩小車質(zhì)量砝碼盤中砝碼質(zhì)量砝碼盤中砝碼質(zhì)量?jī)尚≤囐|(zhì)量隨堂訓(xùn)練1BCD2.AEDBC3保持F1不變，重復(fù)實(shí)驗(yàn)多次測(cè)量，求平均值cbc4(1)之前(2)如圖所示(3)同意在v-t圖象中，速度越大時(shí)，加速度越小，小車受到的合力越小，則小車受空氣阻力越大