高考物理一轮复习课件-实验四-探究加速度与物体受力、物体质量的关系

第三章DISANZHANG实验四探究加速度与物体受力、物体质量的关系返回着眼“四层”夯实验基础突破“难点”探创新考法返回着眼“四层”夯实验基础返回返回返回返回【基础考法】1．(2020·岳阳一模)某同学将力传感器固定在小车上，然后把绳的一端固定在传感器拉钩上，用来测量绳对小车的拉力，探究在小车及传感器总质量不变时加速度跟它们所受拉力的关系，根据所测数据在坐标系中作出了如图所示的a­F图像。(1)图线不过坐标原点的原因是____________________。(2)由图像求出小车和传感器的总质量为________kg。(3)本实验中若仍用砂和桶的重力表示绳子的拉力(小车及传感器的总质量始终远大于砂及桶的总质量)，从理论上分析，该实验图线的斜率将________(选填“变大”或“变小”)。返回解析：(1)由图像可知，当F≠0时，加速度仍然为零，说明没有平衡摩擦力，或平衡的不够。(2)a­F图像中的斜率表示质量的倒数，由图可知，k＝ΔaΔF＝0.5－00.6－0.1＝1，所以质量M＝1k＝1kg。(3)设小车及传感器总质量为M，砂和桶的重力为mg，由牛顿第二定律得：对M：T＝Ma，对m：mg－T＝ma，联立解得：a＝1m＋Mmg，mg表示绳子的拉力，图像的斜率为：1M＋m，变小。答案：(1)没有平衡摩擦力，或平衡的不够(2)1(3)变小返回2．(2019·潍坊一模)某同学用如图所示的装置探究质量一定时物体的加速度a与所受合力F的关系。(1)该同学用砂和砂桶的重力表示小车受到的合外力F，为了减少这种做法带来的实验误差，采取下列两项措施：①用木块将长木板无滑轮的一端垫高来平衡摩擦力。不悬挂砂桶，给小车一初速度，若发现小车通过光电门1的遮光时间小于通过光电门2的时间，则应将木块向________(“左”或“右”)移动；返回②在改变砂子质量时需确保砂和砂桶的质量________小车的质量。A．略小于B．远小于C．略大于D．远大于(2)某次实验中，该同学在砂和砂桶的质量不变的情况下，多次改变小车静止释放点到光电门2的距离x，记录小车通过光电门2的时间t，利用所测数据作出1t2­x图像，求得其斜率为k，已知遮光片宽度为d，则小车的加速度为________。返回解析：(1)①不悬挂砂桶，给小车一初速度，若发现小车通过光电门1的遮光时间小于通过光电门2的时间，说明小车做减速运动，平衡摩擦力不足，需将木板的倾角调大些，即应将木块向左移动；②由于小车做加速运动，有加速度，所以砂和砂桶的总重力大于细绳对小车的拉力，当砂和桶总质量远小于小车的质量时，整体的加速度较小，可认为细绳对小车的作用力等于砂和桶的总重力mg，故选项B正确，A、C、D错误。(2)由于遮光片宽度较小，用通过光电门的平均速度代替瞬时速度，即为v＝dt，则根据速度与位移关系可知：dt2＝2ax，则1t2＝2ad2x，则斜率k＝2ad2，即a＝kd22。答案：(1)①左②B(2)kd22返回3.某组同学设计了“探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系”实验。图甲为实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为装有细砂的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车的拉力F等于细砂和小桶的总重力，小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得。(1)图乙为某次实验得到的纸带，已知实验所用电源的频率为50Hz。根据纸带可求出电火花计时器打B点时的速度为________m/s，小车的加速度大小为________m/s2。(结果均保留两位有效数字)返回(2)在“探究加速度a与质量m的关系”时，某同学按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注，但尚未完成图像(如图丙所示)。请继续帮助该同学作出坐标系中的图像。(3)在“探究加速度a与合力F的关系”时，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图丁，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因。答：_____________________________________________。返回解析：(1)AC这段位移的平均速度等于AC这段时间中间时刻的瞬时速度，即B点的瞬时速度，故vB＝AB＋BC4T＝6.19＋6.70×10－24×0.02m/s＝1.6m/s。由逐差法求解小车的加速度，a＝CD＋DE－AB＋BC4×2T2＝7.21＋7.72－6.19－6.70×10－24×2×0.022m/s2＝3.2m/s2。返回(2)将坐标系中各点连成一条直线，连线时应使直线过尽可能多的点，不在直线上的点应大致对称地分布在直线的两侧，离直线较远的点应视为错误数据，不予考虑，连线如图所示：(3)图线与横轴有截距，说明实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够。答案：(1)1.63.2(2)见解析(3)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够返回突破“难点”探创新考法返回[例1]实验小组采用如图甲所示实验装置测量木块与木板间动摩擦因数μ，提供的器材有：带定滑轮的长木板，有凹槽的木块，质量为20g的钩码共n个，打点计时器，电源，纸带，细线等。实验中将部分钩码悬挂在细线下，剩余的钩码放在木块的凹槽中，保持长木板水平，利用打出的纸带测量木块的加速度。返回(1)正确进行实验操作，得到一条纸带，从某个清晰的打点开始，依次标注0、1、2、3、4、5、6，分别测出位置0到位置3、位置6间的距离，如图乙所示。已知打点周期T＝0.02s，则木块的加速度a＝________m/s2。(保留三位有效数字)(2)将木块凹槽中的钩码逐个添加到细线下端，改变悬挂钩码的总质量m，测得相应的加速度a，作出a­m图像如图丙所示。已知当地重力加速度g＝9.8m/s2，则木块与木板间动摩擦因数μ＝________(保留两位有效数字)；μ的测量值________(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值，原因是________________________(写出一个即可)。(3)实验中________(选填“需要”或“不需要”)满足悬挂钩码总质量远小于木块和槽中钩码总质量。返回[三步稳解题]1．分析实验目的：利用牛顿第二定律测量木块与木板间的动摩擦因数。2．确定实验原理：利用牛顿第二定律：mg－μ(M＋0.02n－m)g＝(M＋0.02n)a可得：a＝1＋μgM＋0.02nm－μg。结合a­m图像求出木块与木板间的动摩擦因数。3．制定数据处理方案木块的加速度大小可由逐差法求得。由牛顿第二定律可知，a­m图线在纵轴上的截距大小为μg，可代入g＝9.8m/s2，求出μ大小。返回[解析](1)已知打点周期T＝0.02s，根据逐差法可得木块的加速度为：a＝x36－x039T2＝8.20－3.50－3.50×10－29×0.022m/s2＝3.33m/s2。(2)设木块的质量为M，根据牛顿第二定律有，mg－f＝(M＋0.02n)a，f＝μ(M＋0.02n－m)g，联立可解得加速度为：a＝1＋μgM＋0.02nm－μg，由丙图可知，当m＝0时，a＝μg＝3.3m/s2，则木块与木板间动摩擦因数μ＝0.34，因滑轮与轴承、细线间有摩擦，纸带与打点计时器间有摩擦，所以测量值大于真实值。(3)实验中没有采用细线拉力等于重力，所以不需要满足悬挂钩码总质量远小于木块和槽中钩码总质量。[答案](1)3.33(2)0.33(0.32～0.36均可)大于滑轮与轴承、细线间有摩擦，纸带与打点计时器间有摩擦等(3)不需要返回[例2]为了探究物体质量一定时加速度与力的关系，甲、乙同学设计了如图(a)所示的实验装置，其中M为小车的质量，m为砂和砂桶的总质量，m0为滑轮的质量。力传感器可测出轻绳中的拉力大小。返回(1)实验时，一定要进行的操作是________。A．用天平测出砂和砂桶的总质量B．将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力C．小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录力传感器的示数D．为减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的总质量m远小于小车的质量M返回(2)甲同学在实验中得到如图(b)所示的一条纸带(两计数点间还有四个点没有画出)，已知打点计时器采用的是频率为50Hz的交流电，根据纸带可求出小车的加速度为______m/s2(结果保留三位有效数字)。返回(3)甲同学以力传感器的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，画出的a­F图线是一条直线，如图(c)所示，图线与横坐标的夹角为θ，求得图线的斜率为k，则小车的质量M＝________。A.1tanθB.1tanθ－m0C.2k－m0D.2k(4)乙同学根据测量数据作出如图(d)所示的a­F图线，该同学做实验时存在的问题是___________________________。返回[三步稳解题]1．分析实验目的：验证质量一定时加速度与力的关系。2．确定实验原理：对小车和滑轮组成的系统，由牛顿第二定律可得2F＝(m0＋M)a，可得出a＝2M＋m0F。3．制定数据处理方案：由力传感器测出绳的拉力大小F，平衡摩擦力后，小车的合外力为2F，由纸带利用逐差法可求出小车的加速度a，此时k＝2m0＋M；如果没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够，则2F－f＝(M＋m0)a，a＝2M＋m0F－fM＋m0，图线与横轴有交点。返回[解析](1)验证牛顿第二定律的实验原理是F＝Ma，本题绳中拉力可以由力传感器测出，不需要用天平测出砂和砂桶的质量，也就不需要使砂和砂桶的总质量m远小于小车的质量M，A、D错误。用力传感器测量绳子的拉力，则力传感器示数的2倍等于小车受到的合外力大小，需要平衡摩擦力，B正确。释放小车之前应先接通电源，待打点稳定后再释放小车，该实验还需要记录力传感器的示数，C正确。返回(2)由逐差法计算加速度，a＝x34＋x45＋x56－x01＋x12＋x233T2，其中T＝0.1s，代入数据解得a＝2.00m/s2。(3)对小车与滑轮系统，由牛顿第二定律得a＝2m0＋MF，图线的斜率为k，则k＝2m0＋M，故小车的质量M＝2k－m0，故选项C正确。(4)图线在F轴上的截距不为零，说明力传感器显示有拉力时，小车仍然静止，这是没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够造成的。[答案](1)BC(2)2.00(3)C(4)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够返回【创新领悟】实验原理的创新1.利用力传感器可得轻绳上拉力大小。2.将探究加速度与合力的关系转化为探究加速度与力传感器的示数的关系。返回利用位移传感器与计算机相连，直接得出小车的加速度。实验器材的创新1.用光电门代替打点计时器，结合遮光条的宽度可测滑块的速度。2.利用气垫导轨代替长木板，无需平衡摩擦力。3.由力传感器测滑块受到的拉力，无需满足m≪M。返回实验过程的创新1.结合光电门得出物块在A、B两点的速度，由vB2－vA2＝2ax得出物块的加速度。2.结合牛顿第二定律mg－μMg＝(M＋m)a得出物块与水平桌面间的动摩擦因数。返回【创新考法】1．(2020·青岛检测)某同学在探究合外力一定，物体的质量与加速度的关系时，采用图甲所示的装置及数字化信息系统获得了小车的加速度a与小车质量M(包括所放砝码及传感器的质量)的对应关系图像，如图乙所示。实验中所挂钩码的质量20g，实验中选用的是不可伸长的轻绳和光滑的轻质定滑轮。返回(1)实验开始时，他先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的轻绳与木板平行。他这样做的目的是下列哪一个_______。(填字母代号)A．可使位移传感器测出的小车的加速度更准确B．可以保证小车最终能够做直线运动C．可在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车所受的合力(2)由图乙可知，a­1M图线不过原点O，原因是______________________________________________________________________。(3)该图线的初始段为直线，该段直线的斜率最接近的数值是________。A．30B．0.3C．20D．0.2返回解析：(1)实验开始时，他先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的轻绳与木板平行。他这样做的目的是在