《2022年度高考物理一輪復(fù)習(xí) 第三章 牛頓運(yùn)動定律 實驗四 探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系學(xué)案》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《2022年度高考物理一輪復(fù)習(xí) 第三章 牛頓運(yùn)動定律 實驗四 探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系學(xué)案（12頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、2022年度高考物理一輪復(fù)習(xí) 第三章 牛頓運(yùn)動定律 實驗四 探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系學(xué)案 1.實驗原理 (1)保持質(zhì)量不變，探究加速度跟合外力的關(guān)系. (2)保持合外力不變，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系. (3)作出a－F圖象和a－圖象，確定其關(guān)系. 2.實驗器材 小車、砝碼、小盤、細(xì)繩、一端附有定滑輪的長木板、墊木、打點計時器、低壓交流電源、導(dǎo)線兩根、紙帶、天平、米尺. 3.實驗步驟 (1)測量：用天平測量小盤和砝碼的質(zhì)量m′和小車的質(zhì)量m. (2)安裝：按照如圖1所示裝置把實驗器材安裝好，只是不把懸掛小盤的細(xì)繩系在小車上(即不給小車牽引力). 圖1 (3)平衡摩擦

2、力：在長木板的不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，使小車能勻速下滑. (4)操作：①小盤通過細(xì)繩繞過定滑輪系于小車上，先接通電源后放開小車，斷開電源，取下紙帶編號碼. ②保持小車的質(zhì)量m不變，改變小盤和砝碼的質(zhì)量m′，重復(fù)步驟①. ③在每條紙帶上選取一段比較理想的部分，測加速度a. ④描點作圖，作a－F的圖象. ⑤保持小盤和砝碼的質(zhì)量m′不變，改變小車質(zhì)量m，重復(fù)步驟①和③，作a－圖象. 1.注意事項 (1)平衡摩擦力：適當(dāng)墊高木板的右端，使小車的重力沿斜面方向的分力正好平衡小車和紙帶受到的阻力.在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細(xì)繩系在小車上，讓小車?yán)┻^打點計時器的紙帶勻

3、速運(yùn)動. (2)不重復(fù)平衡摩擦力. (3)實驗條件：m?m′. (4)一先一后一按：改變拉力或小車質(zhì)量后，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，后釋放小車，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車. 2.誤差分析 (1)實驗原理不完善：本實驗用小盤和砝碼的總重力m′g代替小車的拉力，而實際上小車所受的拉力要小于小盤和砝碼的總重力. (2)摩擦力平衡不準(zhǔn)確、質(zhì)量測量不準(zhǔn)確、計數(shù)點間距測量不準(zhǔn)確、紙帶和細(xì)繩不嚴(yán)格與木板平行都會引起誤差. 3.數(shù)據(jù)處理 (1)利用Δx＝aT2及逐差法求a. (2)以a為縱坐標(biāo)，F(xiàn)為橫坐標(biāo)，根據(jù)各組數(shù)據(jù)描點，如果這些點在一條過原點的直線上，說明a與

4、F成正比. (3)以a為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，描點、連線，如果該線為過原點的直線，就能判定a與m成反比. 命題點一　教材原型實驗 例1　某次探究加速度a跟物體所受合力F和質(zhì)量m的關(guān)系實驗. 圖2 (1)圖2甲所示為實驗裝置圖.圖乙為某次實驗得到的一段紙帶，計數(shù)點A、B、C、D、E間的時間間隔為0.1s.根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為______m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字). (2)保持小車質(zhì)量不變，改變砂和砂桶質(zhì)量，進(jìn)行多次測量.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出了加速度a隨拉力F的變化圖線，如圖3所示.圖中直線沒有通過原點，其主要原因是_________________ ___

5、_________________________________________________________________________. 圖3 (3)保持砂和砂桶質(zhì)量不變，改變小車中砝碼質(zhì)量，進(jìn)行多次測量，得到小車加速度a、質(zhì)量m及其對應(yīng)的的數(shù)據(jù)如表中所示： 實驗次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 小車加速度a/(m·s－2) 1.90 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 0.30 小車和砝碼質(zhì)量m/kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67 /kg－

6、1 4.00 3.45 3.03 2.50 2.00 1.41 1.00 0.60 a.請在圖4坐標(biāo)紙中畫出a－圖線. 圖4 b.根據(jù)作出的a－圖象可以得到的結(jié)論是_______________________________________ __________________________________________________________________________. 答案　(1)0.43　(2)實驗前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分)　(3)a.如圖所示 b.圖線為過原點的直線，表明在合外力一定時，加速度跟質(zhì)量成反比 變式1　

7、(1)我們已經(jīng)知道，物體的加速度a同時跟合外力F和質(zhì)量M兩個因素有關(guān).要研究這三個物理量之間的定量關(guān)系，需采用的思想方法是________. (2)某同學(xué)的實驗方案如圖5所示，她想用砂桶的重力表示小車受到的合外力F，為了減少這種做法帶來的實驗誤差，她先做了兩方面的調(diào)整措施： 圖5 a.用小木塊將長木板無滑輪的一端墊高，目的是___________________________________ ___________________________________________________________________________. b.使砂桶的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，

8、目的是使拉小車的力近似等于________. (3)該同學(xué)利用實驗中打出的紙帶求加速度時，處理方案有兩種： A.利用公式a＝計算 B.根據(jù)逐差法利用a＝計算 兩種方案中，選擇方案________比較合理. 答案　(1)控制變量法　(2)平衡摩擦力　砂桶的重力　(3)B 變式2　為了“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”，現(xiàn)提供如圖6所示的實驗裝置： 圖6 (1)以下實驗操作正確的是________. A.將木板不帶滑輪的一端適當(dāng)墊高，使小車在砝碼及砝碼盤的牽引下恰好做勻速運(yùn)動 B.調(diào)節(jié)滑輪的高度，使細(xì)線與木板平行 C.先接通電源后釋放小車 D.實驗中小車的加速度越大越好

9、(2)在實驗中，得到一條如圖7所示的紙帶，已知相鄰計數(shù)點間的時間間隔為T＝0.1 s，且間距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出分別為3.09 cm、3.43 cm、3.77 cm、4.10 cm、4.44 cm、4.77 cm，則小車的加速度a＝________m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 圖7 (3)有一組同學(xué)保持小車及車中的砝碼質(zhì)量一定，探究加速度a與所受外力F的關(guān)系，他們在軌道水平及傾斜兩種情況下分別做了實驗，得到了兩條a－F圖線，如圖8所示.圖線______是在軌道傾斜情況下得到的(填“①”或“②”)；小車及車中砝碼的總質(zhì)量m＝______kg. 圖8 答案

10、　(1)BC　(2)0.34　(3)①　0.5 解析　(1)將不帶滑輪的木板一端適當(dāng)墊高，在不掛鉤碼的情況下使小車恰好做勻速運(yùn)動，以使小車的重力沿斜面的分力和摩擦力抵消，那么小車的合力就是細(xì)線的拉力，故選項A錯誤；細(xì)線的拉力為小車的合力，所以應(yīng)調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細(xì)線與木板平行，故B正確；實驗時，應(yīng)使小車靠近打點計時器，先接通電源后由靜止釋放小車，故選項C正確；實驗時，為了減小實驗的誤差，小車的加速度應(yīng)適當(dāng)大一些，但不是越大越好.故D錯誤. (2)根據(jù)逐差法得：a＝≈0.34 m/s2. (3)由圖線①可知，當(dāng)F＝0時，a≠0，也就是說當(dāng)細(xì)線上沒有拉力時小車就有加速度，所以圖線①是在軌道傾

11、斜情況下得到的，根據(jù)F＝ma得a－F圖象的斜率k＝，由a－F圖象得圖象斜率k＝2，所以m＝0.5 kg. 命題點二　教材實驗創(chuàng)新 實驗裝置圖 創(chuàng)新/改進(jìn)點 1.實驗方案的改進(jìn)：系統(tǒng)總質(zhì)量不變化，改變拉力得到若干組數(shù)據(jù). 2.用傳感器記錄小車的時間t與位移x，直接繪制x－t圖象. 3.利用牛頓第二定律求解實驗中的某些參量，確定某些規(guī)律. 1.用傳感器與計算機(jī)相連，直接得出小車的加速度. 2.圖象法處理數(shù)據(jù)時，用鉤碼的質(zhì)量m代替合力F，即用a－m圖象代替a－F圖象. 1.用光電門代替打點計時器，遮光條結(jié)合光電門測得物塊的初速度和末速度，由運(yùn)動學(xué)公式求出加速度.

12、2.結(jié)合牛頓第二定律，該裝置可以測出動摩擦因數(shù) 實驗方案的改進(jìn)：彈簧測力計測量小車所受的拉力，鉤碼的質(zhì)量不需要遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，更無需測鉤碼的質(zhì)量 1.氣墊導(dǎo)軌代替長木板，無需平衡摩擦力. 2.力傳感器測量滑塊所受的拉力，鉤碼的質(zhì)量不需要遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量，更無需測鉤碼的質(zhì)量. 3.用光電門代替打點計時器，遮光條結(jié)合光電門測得滑塊的末速度，由刻度尺讀出遮光條中心初始位置與光電門之間的距離，由運(yùn)動學(xué)公式求出加速度. 例2　(2016·全國卷Ⅲ·23)某物理課外小組利用圖9中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系.圖中，置于實驗臺上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨

13、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.本實驗中可用的鉤碼共有N＝5個，每個質(zhì)量均為0.010kg.實驗步驟如下： 圖9 (1)將5個鉤碼全部放入小車中，在長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n＝1，2，3，4，5)個鉤碼掛在輕繩右端，其余N－n個鉤碼仍留在小車內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行.釋放小車，同時用傳感器記錄小車在時刻t相對于其起始位置的位移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)對應(yīng)于不同的n的a值見下表.n＝2時的st圖象如圖10所示；由圖求出此時小車的加速度(保留2位有效

14、數(shù)字)，將結(jié)果填入下表. n 1 2 3 4 5 a/(m·s－2) 0.20 0.58 0.78 1.00 圖10 (4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖11中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點，并作出an圖象.從圖象可以看出：當(dāng)物體質(zhì)量一定時，物體的加速度與其所受的合外力成正比. 圖11 (5)利用an圖象求得小車(空載)的質(zhì)量為___________kg(保留2位有效數(shù)字，重力加速度取g＝9.8m·s－2). (6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1)，下列說法正確的是____(填入正確選項前的標(biāo)號) A.an圖線不再是直線 B.an圖線仍是直線，但該直線不過原點 C.a

15、n圖線仍是直線，但該直線的斜率變大 答案　(3)0.39　(4)見解析圖　(5)0.44　(6)BC 解析　(3)因為小車做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動，將圖中點(2,0.78)代入s＝at2可得，a＝0.39m/s2. (4)根據(jù)描點法可得如圖所示圖線. (5)根據(jù)牛頓第二定律可得nmg＝(M＋5m)a，則a＝n，圖線斜率k＝＝，可得M＝0.44kg. (6)若保持木板水平，則小車運(yùn)動中受到摩擦力的作用，由牛頓第二定律得nmg－μ(M＋5m－nm)g＝(M＋5m)a，解得a＝－μg，直線的斜率變大，圖象不過原點，選項B、C正確. 變式3　在用DIS研究小車加速度與外力的關(guān)系時，

16、某實驗小組先用如圖12(a)所示的實驗裝置，重物通過滑輪用細(xì)線拉小車，在小車和重物之間接一個不計質(zhì)量的微型力傳感器，位移傳感器(發(fā)射器)隨小車一起沿水平軌道運(yùn)動，位移傳感器(接收器)固定在軌道一端，實驗中力傳感器的拉力為F，保持小車[包括位移傳感器(發(fā)射器)]的質(zhì)量不變，改變重物質(zhì)量重復(fù)實驗若干次，得到加速度與外力的關(guān)系如圖(b)所示. 圖12 (1)小車與軌道的滑動摩擦力Ff＝________N. (2)從圖象中分析，小車[包括位移傳感器(發(fā)射器)]的質(zhì)量為________kg. (3)該實驗小組為得到a與F成正比的關(guān)系，應(yīng)將斜面的傾角θ調(diào)整到tanθ＝_______. 答

17、案　(1)0.67　(2)0.67　(3)0.1 解析　(1)根據(jù)題圖(b)可知，當(dāng)F＝0.67 N時，小車開始有加速度，則Ff＝0.67 N， (2)根據(jù)牛頓第二定律a＝＝F－，則a－F圖象的斜率表示小車[包括位移傳感器(發(fā)射器)]質(zhì)量的倒數(shù)，則 M＝＝ kg＝ kg≈0.67 kg. (3)為得到a與F成正比的關(guān)系，則應(yīng)該平衡摩擦力，則有：Mgsin θ＝μMgcos θ 解得：tan θ＝μ， 根據(jù)Ff＝μMg得：μ＝＝0.1 所以tan θ＝0.1. 變式4　如圖13所示為某同學(xué)探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實驗裝置，兩個相同質(zhì)量的小車放在光滑水平板上，前端各系一根輕質(zhì)細(xì)繩

18、，繩的一端跨過光滑輕質(zhì)定滑輪各掛一個小盤，盤中可放砝碼.兩小車后端各系一條細(xì)繩，一起被夾子夾著使小車靜止.打開夾子，兩小車同時開始運(yùn)動；關(guān)上夾子，兩小車同時停下來，用刻度尺測出兩小車的位移，下表是該同學(xué)在幾次實驗中記錄的數(shù)據(jù). 圖13 實驗次數(shù) 車號 小車質(zhì)量(g) 小盤質(zhì)量(g) 車中砝碼質(zhì)量(g) 盤中砝碼質(zhì)量(g) 小車位移(cm) 1 甲 50 10 0 0 15 乙 50 10 0 10 30 2 甲 50 10 0 10 27.5 乙 50 10 50 10 14 3 甲 50 10 0 0 18

19、 乙 50 10 10 10 請回答下述問題： (1)在每一次實驗中，甲、乙兩車的位移之比等于_____之比，請簡要說明實驗原理_____ ___________________________________________________________________________. (2)第一次實驗控制了________不變，在實驗誤差允許范圍內(nèi)可得出的結(jié)論是__________ ___________________________________________________________________________. (3)第二次實驗控制了

20、________不變，在實驗誤差范圍內(nèi)可得出的結(jié)論是______________ ___________________________________________________________________________. (4)第三次實驗時，該同學(xué)先測量了甲車的位移，再根據(jù)前兩次實驗結(jié)論，計算出乙車應(yīng)該發(fā)生的位移，然后再測量了乙車的位移，結(jié)果他高興地發(fā)現(xiàn)，理論的預(yù)言與實際符合得相當(dāng)好.請問，他計算出的乙車的位移應(yīng)該是________. 答案　(1)加速度　見解析　(2)小車質(zhì)量　小車加速度與拉力成正比　(3)小車所受拉力　小車加速度與質(zhì)量成反比　(4)30cm 解析　(1

21、)由于兩車運(yùn)動時間相同，由x＝at2，知甲、乙兩車的位移之比等于加速度之比，即x甲∶x乙＝a甲∶a乙. (2)第一次實驗中控制小車質(zhì)量不變，在實驗誤差允許范圍內(nèi)，小車加速度與拉力成正比. (3)第二次實驗中控制小車所受拉力不變，在實驗誤差允許范圍內(nèi)，小車加速度與質(zhì)量成反比. (4)＝＝，＝＝，得x乙＝30cm. 命題點三　教材實驗拓展 以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為背景測量物塊與木板間的動摩擦因數(shù). 例3　甲、乙兩同學(xué)均設(shè)計了測動摩擦因數(shù)的實驗.已知重力加速度為g. 圖14 (1)甲同學(xué)所設(shè)計的實驗裝置如圖14甲所示.其中A為一質(zhì)量為M的長直木板，B為木板上放置

22、的質(zhì)量為m的物塊，C為物塊右端連接的一輕質(zhì)彈簧測力計(水平放置).實驗時用力將A從B的下方抽出，通過C的讀數(shù)F1即可測出動摩擦因數(shù).則該設(shè)計能測出________(填“A與B”或“A與地面”)之間的動摩擦因數(shù)，其表達(dá)式為________. (2)乙同學(xué)的設(shè)計如圖乙所示.他在一端帶有光滑輕質(zhì)定滑輪的長木板上固定有A、B兩個光電門，與光電門相連的計時器可以顯示帶有遮光片的物塊在其間的運(yùn)動時間，與跨過定滑輪的輕質(zhì)細(xì)繩相連的輕質(zhì)測力計能顯示掛鉤處所受的拉力.實驗時，多次改變砂桶中砂的質(zhì)量，每次都讓物塊從靠近光電門A處由靜止開始運(yùn)動，讀出多組測力計示數(shù)F及對應(yīng)的物塊在兩光電門之間的運(yùn)動時間t.在坐標(biāo)系

23、中作出F－的圖線如圖丙所示，圖線的斜率為k，與縱軸的截距為b，與橫軸的截距為c.因乙同學(xué)不能測出小車質(zhì)量，故該同學(xué)還應(yīng)該測出的物理量為_________.根據(jù)該測量物理量及圖線信息可知物塊和長木板之間的動摩擦因數(shù)表達(dá)式為_________. 答案　(1)A與B　　(2)光電門A、B之間的距離x　 解析　(1)當(dāng)A達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時B處于靜止?fàn)顟B(tài)，彈簧測力計的讀數(shù)F與B所受的滑動摩擦力Ff大小相等，B對木板A的壓力大小等于B的重力mg，由Ff＝μFN得，μ＝＝. (2)物塊由靜止開始做勻加速運(yùn)動，位移x＝at2. 可得：a＝ 根據(jù)牛頓第二定律得 對于物塊，F(xiàn)－μmg＝ma 則：F＝＋μ

24、mg 則圖線的斜率為：k＝2mx，縱軸的截距為：b＝μmg； k與摩擦力是否存在無關(guān)，物塊與長木板間的動摩擦因數(shù)為：μ＝＝. 變式5　如圖15所示，某同學(xué)設(shè)計了一個測量滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)的實驗裝置，裝有定滑輪的長木板固定在水平實驗臺上，木板上有一滑塊，滑塊右端固定一個動滑輪，鉤碼和彈簧測力計通過繞在滑輪上的輕繩相連，放開鉤碼，滑塊在長木板上做勻加速直線運(yùn)動. 圖15 (1)實驗得到一條如圖16所示的紙帶，相鄰兩計數(shù)點之間的時間間隔為0.1s，由圖中的數(shù)據(jù)可知，滑塊運(yùn)動的加速度大小是________m/s2.(計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 圖16 (2)讀出彈簧測力計的

25、示數(shù)F，處理紙帶，得到滑塊運(yùn)動的加速度a；改變鉤碼個數(shù)，重復(fù)實驗.以彈簧測力計的示數(shù)F為縱坐標(biāo)，以加速度a為橫坐標(biāo)，得到的圖象是縱軸截距為b的一條傾斜直線，如圖17所示.已知滑塊和動滑輪的總質(zhì)量為m，重力加速度為g，忽略滑輪與繩之間的摩擦.則滑塊和木板之間的動摩擦因數(shù)μ＝________. 圖17 答案　(1)2.4　(2) 解析　(1)加速度a＝＝m/s2≈2.4 m/s2 (2)滑塊受到的拉力FT為彈簧測力計示數(shù)的兩倍，即：FT＝2F 滑塊受到的摩擦力為：Ff＝μmg 由牛頓第二定律可得：FT－Ff＝ma 解得力F與加速度a的函數(shù)關(guān)系式為：F＝a＋ 由圖象所給信息可得圖象截距為：b＝ 解得：μ＝.