【步步高】2020年高考物理大一輪 實驗四 探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系 新人教版必修1

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1、實驗四　探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系 一、實驗?zāi)康? 1．學(xué)會用控制變量法研究物理規(guī)律． 2．驗證牛頓第二定律． 3．掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法． 二、實驗原理 探究加速度a與力F及質(zhì)量m的關(guān)系時，應(yīng)用的基本方法是控制變量法，即先控制一個參量——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、實驗器材 打點計時器、紙帶、復(fù)寫紙、小車、一端附有定滑輪的長木板、小盤、夾子、細(xì)繩、低壓交流電源、導(dǎo)線、天平、刻度尺、砝碼． 四、實驗步驟 1．用天平測出小車和盛有砝碼的小盤的質(zhì)量m和m′. 2．安裝

2、實驗器材(如圖1所示)． 圖1 3．平衡摩擦力． 4．小盤繞過滑輪系于小車上，先通電源后放開小車，取下紙帶編號碼． 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，測加速度a. 7．作a－F的圖象，描點作圖，若這些點在一條直線上，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、實驗數(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)測量的數(shù)據(jù)描點，然后作出圖

3、象，看圖象是否是通過原點的直線，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，將會得到如圖2甲所示的一條曲線．由圖線只能看出m增大時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)，將會得到如圖乙所示的一條過原點的傾斜直線，據(jù)此可判斷a與m成反比． 圖2 3．方法總結(jié) 利用圖象處理數(shù)據(jù)是物理實驗中常用的重要方法．在實驗中如果發(fā)現(xiàn)一個量x與另一個量y成反比，那么，x就應(yīng)與成正比．因為在處理數(shù)據(jù)時，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

4、例函數(shù)的直線進(jìn)行處理． 六、注意事項 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，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的紙帶運(yùn)動． 2．不重復(fù)平衡摩擦力：實驗步驟2、3不需要重復(fù)，即整個實驗平衡了摩擦力后，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．實驗條件：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

5、，每次開始時小車應(yīng)盡量靠近打點計時器，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； 曲線化直好思想，作圖比例要適當(dāng). 例1　某實驗小組在“探究加速度與物體受力的關(guān)系”實 驗中，設(shè)計出如下的實驗方案，其實驗裝置如圖3所 示．已知小車質(zhì)量M＝214.6 g，砝碼盤質(zhì)量m0＝7.8 g， 所使用的打點計時器交流電頻率f＝50 Hz.其實驗步驟 是： A．按圖中所示安裝好實驗裝置； 圖3 B．調(diào)節(jié)長木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長木 板向下做勻速運(yùn)動； C．取下細(xì)繩

6、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)B－D步驟，求得小車在不同合外力F作用下的加速度． 回答下列問題： (1)按上述方案做實驗，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)實驗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)測量數(shù)據(jù)填入他所設(shè)計的表格中，如下表， 次數(shù) 1 2 3 4 5 砝碼盤中砝碼 的重力F/N 0.

7、10 0.20 0.29 0.39 0.49 小車的加速度 a/(m·s－2) 0.88 1.44 1.84 2.38 2.89 他根據(jù)表中的數(shù)據(jù)畫出a－F圖象(如圖5)．造成圖線不過坐標(biāo)原點的一條最主要原因是_ _______________________________________________________________________， 從該圖線延長線與橫軸的交點可求出的物理量是________________________，其大小為________． 圖5 例2　某實驗小組利用如圖6所示的實驗裝置來探究當(dāng)合外力一定時，物體運(yùn)動的加速度與

8、其質(zhì)量之間的關(guān)系． 圖6 (1) 由圖中刻度尺讀出兩個光電門中心之間的距離x＝24 cm，由圖7中游標(biāo)卡尺測得遮光條的寬度d＝________ cm.該實驗小組在做實驗時，將滑塊從如圖6所示位置由靜止釋放，由數(shù)字計時器可圖7 以讀出遮光條通過光電門1的時間Δt1，遮光條通過光電門2的時間Δt2，則滑塊經(jīng)過光電門1時的瞬時速度 的表達(dá)式v1＝________，滑塊經(jīng)過光電門2時的瞬時速度的表達(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)在本次實驗中，實驗小組通過改變滑塊質(zhì)量總共做了6組實驗，得到如表所示的實驗數(shù)據(jù)．通

9、過分析表中數(shù)據(jù)后，你得出的結(jié)論是_____________________________. m(g) a(m·s－2) 250 2.02 300 1.65 350 1.33 400 1.25 500 1.00 800 0.63 (3)現(xiàn)需通過圖象進(jìn)一步驗證你的結(jié)論，請利用表格數(shù)據(jù)，在如圖8所示坐標(biāo)系中描點作出相應(yīng)圖象． 圖8 　　　　　　　　　9.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)計了一個“探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì) 量m的關(guān)系”實驗．如圖9為實驗裝置簡圖，A為小車，B為 電火花計時器，C為裝有砝

10、碼的小盤，D為一端帶有定滑輪的 長方形木板，實驗中認(rèn)為細(xì)繩對小車?yán)等于砝碼和小盤的 總重力，小車運(yùn)動加速度a可用紙帶上的打點求得． 圖10 (1)圖10為某次實驗得到的紙帶，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為________ 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，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： 實驗次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 小車加速度 a/(m·s－2) 1.98 1.72 1.48 1.25 1.00 0.75 0.48 0.50

11、0.30 小車質(zhì)量 m/kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 0.75 1.00 1.67 根據(jù)上表數(shù)據(jù)，為直觀反映F不變時a與m的關(guān)系，請在圖11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，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)實驗數(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，該圖線不通過坐標(biāo)原點，試分析圖線不通過坐標(biāo)原點的原因． 圖12 答：______________________________________

12、__________________________________. 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)行實驗．其中G1、G2為兩個光電門，它們與數(shù)字計時器相連，當(dāng)滑行器通過G1、G2光電門時，光束被遮擋的時間Δt1、Δt2都可以被測量并記錄．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.回答下列問題： 圖13 (1)實驗開始應(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：______________________________________

13、__________________________________. 　(2)若取M＝0.4 kg，改變m的值進(jìn)行多次實驗，以下m的取值不合適的一個是________． A．m＝5 g B．m＝15 g C．m＝40 g D．m＝400 g (3)在此實驗中，需要測得每一個牽引力對應(yīng)的加速度，其中求得的加速度的表達(dá)式為：____________.(用Δt1、Δt2、D、s表示) 方法提煉　在驗證牛頓第二定律實驗中，近似法是指繩對小車的拉力近似等于繩另一端

14、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)系時用到的方法，在實驗中的具體體現(xiàn)是：研究加速度與力的關(guān)系時，保持小車質(zhì)量不變；研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系時，保持小盤和砝碼的總重力不變．平衡摩擦力法是指通過調(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小車的拉力，體現(xiàn)在實驗中是讓小車不掛小盤時能在斜面上勻速運(yùn)動．化曲為直法是指處理數(shù)據(jù)時，不作a－m圖象而作a－圖象，反映在圖象中就是把原來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)系活動中，某小組設(shè)計了如圖14所示的

15、實驗裝置．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)線跨過滑輪并掛上砝碼盤，兩小車尾部細(xì)線連到控制裝置上，實驗時通過控制裝置使兩小車同時開始運(yùn)動，然后同時停止． 圖14 (1)在安裝實驗裝置時，應(yīng)調(diào)整滑輪的高度，使____________________；同時軌道應(yīng)適當(dāng)__________，使小車在不掛砝碼盤時恰好在軌道上做________，以平衡摩擦力． (2)在實驗時，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)本實驗通過比較兩小車的位移來比較小車加速度的大小，能這樣比較，是因為_______

16、_________________________________________________________________ ________________________________________________________________________. (4)要驗證加速度與力成正比時，應(yīng)使__________相同且不變，而改變__________．要驗證 加速度與質(zhì)量成反比時，應(yīng)使__________相同且不變，而改變__________. 1．在利用打點計時器和小車來做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗時，下列說法中正確的是

17、 (　　) A．平衡摩擦力時，應(yīng)將砝碼盤及盤內(nèi)砝碼通過定滑輪拴在小車上 B．連接砝碼盤和小車的細(xì)繩應(yīng)跟長木板保持平行 C．平衡摩擦力后，長木板的位置不能移動 D．小車釋放前應(yīng)靠近打點計時器，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”的實驗，主要的步驟有： A．將一端附有定滑輪的長木板放在水平桌面上，取兩個質(zhì)量相等的小車，放在光滑的水平長木板上 B．打開夾子，讓兩個小車同時從靜止開始運(yùn)動，小車運(yùn)動一段距離后，夾上夾子，讓它們同時停下來，用刻度尺分別測出兩個小車在這一段時

18、間內(nèi)通過的位移大小 C．分析所得到的兩個小車在相同時間內(nèi)通過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，繩的另一端跨過定滑輪各掛一個小盤，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．分別用天平測出兩個砝碼盤和盤內(nèi)砝碼的總質(zhì)量 上述實驗步驟，正確的排列順序是________． 3．(2020·山東理綜·23(1)) 圖15 某同學(xué)設(shè)計了如圖15所示的裝置來探究加速度與力的關(guān)系．彈簧秤固定在一合適的木板上，

19、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，并測出間距d.開始時將木板置于MN處，現(xiàn)緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開始運(yùn)動為止，記下彈簧秤的示數(shù)F0，以此表示滑動摩擦力的大?。賹⒛景宸呕卦幉醋。^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)動到PQ處的時間t. ①木板的加速度可以用d、t表示為a＝________；為了減小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是(一種即可) ______________________________________________________.

20、 ②改變瓶中水的質(zhì)量重復(fù)實驗，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)實驗結(jié)果的是 (　　) ③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)點是________． a．可以改變滑動摩擦力的大小 b．可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù) c．可以比較精確地測出摩擦力的大小 d．可以獲得更大的加速度以提高實驗精度 4．(2020·江蘇·11) 圖16 為了探究受到空氣阻力時，物體運(yùn)動速度隨時間的變化規(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

21、實驗裝置(如圖16所示)．實驗時，平衡小車與木板之間的摩擦力后，在小車上安裝一薄板，以增大空氣對小車運(yùn)動的阻力． (1)往砝碼盤中加入一小砝碼，在釋放小車________(選填“之前”或“之后”)接通打點計時器的電源，在紙帶上打出一系列的點． (2)從紙帶上選取若干計數(shù)點進(jìn)行測量，得出各計數(shù)點的時間t與速度v的數(shù)據(jù)如下表： 時間t/s 0 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 速度v/(m·s－1) 0.12 0.19 0.23 0.26 0.28 0.29 請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在圖17中作出小車的v－t圖象． 圖17 (2) 通過對實驗結(jié)果的分

22、析，該同學(xué)認(rèn)為：隨著運(yùn)動速度的增加，小車所受的空氣阻力將變大，你是否同意他的觀點？請根據(jù)v－t圖象簡要闡述理由． 答案 課堂探究 例1　(1)否　(2)0.88　(3)在計算小車所受的合外力時未計入砝碼盤的重力(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 (0.07～0.08 N均正確) 例2　(1)0.52　　 　(2)(3)見解析 解析　(3)如圖所示 例3　(1)3.2　(2)見解析　(3)實驗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?。愠龅闹?，從左到右依次是：4.00　3.45　3.0

23、3　2.50　2.00 1．41　1.33　1.00　0.60 以橫坐標(biāo)表示，以縱坐標(biāo)表示加速度a，描點，可以看到多數(shù)點在一條直線上，只有(1.33,0.48)偏離直線較遠(yuǎn)，舍去此點，作出圖象如圖所示． 例4　(1)見解析　(2)D (3)a＝ 解析　(1)取下牽引砝碼，滑行器放在任意位置都不移動，或取下牽引砝碼，輕推滑行器M，數(shù)字計時器記錄每一個光電門的光束被遮擋的時間Δt都相等． 跟蹤訓(xùn)練　(1)細(xì)線與軌道平行　傾斜　勻速運(yùn)動　(2)遠(yuǎn)小于　(3)兩小車從靜止開始做勻加速直線運(yùn)動，且兩小車運(yùn)動時間相等　(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　兩小車質(zhì)量 隨堂訓(xùn)練 1．BCD　2.AEDBC 3．①　保持F1不變，重復(fù)實驗多次測量，求平均值?、赾?、踒c 4．(1)之前　(2)如圖所示 (3)同意．在v-t圖象中，速度越大時，加速度越小，小車受到的合力越小，則小車受空氣阻力越大．