高三物理一轮复习第二章(内部资料)实验四

实验四探究加速度与力、质量的关系考纲解读1.学会用控制变量法研究物理规律.2.学会灵活运用图象法处理物理问题的方法.3.探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律.基本实验要求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－1m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)测量：用天平测量小盘和砝码的质量m′和小车的质量m.(2)安装：按照如实验原理图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)(3)平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，使小车能匀速下滑.(4)操作：①小盘通过细绳绕过滑轮系于小车上，先通电源后放开小车，取下纸带编号码.②保持小车的质量m不变，改变砝码和小盘的质量m′，重复步骤①.③在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.④描点作图，作a－F的图象.⑤保持砝码和小盘的质量m′不变，改变小车质量m，重复步骤①和③，作a－1m图象.规律方法总结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，让小车拉着打点的纸带匀速运动.(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.3.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，1m为横坐标，描点、连线，如果该线过原点，就能判定a与m成反比.考点一对实验原理与注意事项的考查例1(2013·天津·9(2))某实验小组利用图1所示的装置探究加速度与力、质量的关系.图1①下列做法正确的是________(填字母代号)A.调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行B.在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上C.实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源D.通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度②为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量________木块和木块上砝码的总质量.(选填“远大于”、“远小于”或“近似等于”)图2③甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图2所示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，分别得到图9中甲、乙两条直线.设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图可知，m甲________m乙，μ甲________μ乙.(选填“大于”、“小于”或“等于”)解析①在探究加速度与力、质量的关系的实验中，平衡摩擦力时木块不通过定滑轮挂砝码桶，而要挂纸带，并且改变质量时不需要重新平衡摩擦力；在实验时应先接通电源再放开木块，故选项A、D均正确，B、C均错误.②选木块和木块上砝码(设总质量为M)、砝码桶及桶内的砝码(设总质量为m)为研究对象，则mg＝(M＋m)a选砝码桶及桶内的砝码为研究对象则mg－FT＝ma联立解得：FT＝mg－m2gM＋m要使FT＝mg，需要m2gM＋m→0，即M≫m③对质量为m的木块由牛顿第二定律得：F－μmg＝ma即a＝1mF－μg.上式与题图结合可知：1m甲＞1m乙，μ甲g＞μ乙g.即：m甲＜m乙，μ甲＞μ乙答案①AD②远小于③小于大于考点二对实验步骤和数据处理的考查例2(2014·杭州高级中学月考)为了探究加速度与力的关系，使用如图3所示的气垫导轨装置进行实验，其中G1、G2为两个光电门，它们与数字计时器(图中未画出)相连，当滑行器通过G1、G2光电门时，光束被挡光片遮挡的时间Δt1、Δt2都可以被测量并记录，滑行器连同上面固定的一条形挡光片的总质量为M，挡光片宽度为D，光电门间距离为x，牵引砝码的质量为m.回答下列问题：图3(1)实验开始应先调节气垫导轨下面的螺钉，使气垫导轨水平，在不增加其他仪器的情况下，如何判定调节是否到位？答：________________________________________________________________________.(2)若取M＝0.4kg，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值不合适的一个是________.A.m＝5gB.m＝15gC.m＝40gD.m＝400g(3)在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，求得的加速度的表达式为________.(用Δt1、Δt2、D、x表示)答案(1)取下牵引砝码，M放在任意位置都不动或取下牵引砝码，轻推滑行器M，数字计时器记录的每一个光电门的光束被遮挡的时间Δt都相等(2)D(3)a＝DΔt22－DΔt122x创新实验设计例3图4某实验小组在“探究加速度与物体受力的关系”实验中，设计出如下的实验方案，其实验装置如图4所示.已知小车质量M＝214.6g，砝码盘质量m0＝7.8g，所使用的打点计时器交流电频率f＝50Hz.其实验步骤是：A.按图中所示安装好实验装置；B.调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速运动；C.取下细绳和砝码盘，记下砝码盘中砝码的质量m；D.将小车置于打点计时器旁，先接通电源，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求得小车的加速度a；E.重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码的质量，重复B－D步骤，求得小车在不同合外力F作用下的加速度.回答下列问题：(1)按上述方案做实验，是否要求砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量？________(填“是”或“否”).(2)实验中打出的其中一条纸带如图5所示，由该纸带可求得小车的加速度a＝________m/s2.图5(3)某同学将有关测量数据填入他所设计的表格中，如下表，次数12345砝码盘中砝码的重力F/N0.100.200.290.390.49小车的加速度a/(m·s－2)0.881.441.842.382.89他根据表中的数据画出a－F图象(如图6).造成图线不过坐标原点的一条最主要原因是________________________________________________________________________，从该图线延长线与横轴的交点可求出的物理量是________________________，其大小为________.图6答案(1)否(2)0.88(3)在计算小车所受的合外力时未计入砝码盘的重力(只要涉及“未考虑砝码质量的因素”就算正确)砝码盘的重力0.08N解析(1)取下砝码盘后，小车加速运动时所受的合外力即为砝码和砝码盘的总重力，而实验中的研究对象是小车，因此，实验中不必使砝码及砝码盘的质量远小于小车的质量.(2)a＝8.64＋7.75－6.87＋6.004×0.12×10－2m/s2＝0.88m/s2.(3)实验中本应有(m0＋m)g＝Ma，由于实验中未计入砝码盘质量m0，测得的图象与真实图象相比沿F轴左移m0g，图象将不过原点.由图象及上述分析可知，m0g＝0.08N.14.物理实验思想方法之近似法、控制变量法、平衡摩擦力法和化曲为直法1.近似法：在探究加速度与力、质量的关系实验中，近似法是指绳对小车的拉力近似等于绳另一端连接的小盘和砝码的总重力，近似法要在小盘和砝码的总重力远小于小车的重力的情况下才能用.2.控制变量法：控制变量法是指分别研究加速度与力、加速度与质量关系时用到的方法，在实验中的具体体现是：研究加速度与力的关系时，保持小车质量不变；研究加速度与质量的关系时，保持小盘和砝码的总重力不变.3.平衡摩擦力法：平衡摩擦力法是指通过调整斜面倾角，让小车重力沿斜面的分力与摩擦力抵消，使小车受到的合外力等于绳对小车的拉力，体现在实验中是让小车不挂小盘时能在斜面上匀速运动.4.化曲为直法：化曲为直法是指处理数据时，不作a－m图象而作a－1m图象，反映在图象中就是把原来的曲线变成倾斜的直线.例4某实验小组欲以图7所示实验装置“探究加速度与力、质量的关系”.图中A为小车，B为装有砝码的小盘，C为一端带有定滑轮的长木板，小车通过纸带与电磁打点计时器相连，小车的质量为m1，小盘(及砝码)的质量为m2.图7(1)下列说法正确的是()A.实验时先放开小车，再接通打点计时器的电源B.每次改变小车质量时，应重新平衡摩擦力C.本实验中应满足m2远小于m1的条件D.在用图象探究小车加速度与受力的关系时，应作a－m1图象(2)实验中，得到一条打点的纸带，如图8所示，已知相邻计数点间的时间间隔为T，且间距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出，则打点计时器打下F点时小车的瞬时速度的计算式为vF＝________，小车加速度的计算式a＝________.图8图9(3)某同学平衡好摩擦阻力后，在保持小车质量不变的情况下，通过多次改变砝码重力，作出小车加速度a与砝码重力F的图象如图9所示.若牛顿第二定律成立，重力加速度g＝10m/s2，则小车的质量为__________kg，小盘的质量为________kg.(4)实际上，在砝码的重力越来越大时，小车的加速度不能无限制地增大，将趋近于某一极限值，此极限值为________m/s2.解析(1)实验时应先接通电源，再放开小车，A项错；每次改变小车质量时，没必要重新平衡摩擦力，B项错；实验要求m2≪m1，C项对；D项中应作a－m2或a－F图象，D错.(2)vF＝vt2＝v＝x5＋x62T，由逐差法知a＝x4＋x5＋x6－x3－x2－x19T2.(3)由题图中的a－F图线可知：a＝Fm＋0.3，即图线的斜率k＝1m，可求解得m＝2.0kg.当F＝0时，a＝0.3m/s2，此时a＝F0m＝m0gm，所以m0＝0.06kg.(4)当砝码重力越来越大时，a＝m＋m0gm＋m0＋M，即m无限大时，a趋向于g.答案(1)C(2)x5＋x62Tx4＋x5＋x6－x3－x2－x19T2(3)2.00.06(4)101.用如图10所示装置探究影响加速度的因素，提供的器材有长木板、铁架台、米尺、计时仪器、小车(可视为质点)、砝码等，进行以下探究活动：图10(1)探究加速度与质量的关系①测量木板长度l，将木板一端放在铁架台的支架上.②让小车从静止开始由顶端滑到底端，测出下滑时间t，则小车运动的加速度可表示为a＝________.③保持木板倾角不变，向小车内加入砝码，再使其从静止开始由顶端滑到底端，测出下滑时间t′.④在实验误差允许范围内小车两次下滑的加速度a与a′的关系为a____a′(填“”、“”或“＝”)⑤据此能否得出加速度与质量的关系？______(填“能”或“不能”)(2)探究加速度与合外力的关系①若不计摩擦，小车质量为M，木板长度为l，木板两端高度差为h，重力加速度为g，则小车沿木板下滑受到的合外力为F＝______.②改变木板倾角，测出每次木板两端的高度差h和小车下滑的时间t.③为了寻求a与F的关系，可以作出与变量h、t相关的图象，当两坐标轴的物理量分别为________和________时，得到的图象才是直线.答案(1)②2lt2④＝⑤不能(2)①Mghl③h1t2(或“t21h”)2.“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图11所示.图11(1)在平衡摩擦力后，挂上砝码盘，打出了一