（北京版）2021高考物理一轮复习 第三章 牛顿运动定律 第5讲 实验：探究加速度与物体受力、物体质

第5讲实验：探究加速度与物体受力、物体质量的关系知识梳理1.某研究性学习小组用如图所示的装置探究牛顿第二定律。该小组在实验中确定的研究对象是小车,而且认为细线对小车的拉力等于砂桶和砂的总重力,也是小车所受的合外力,则对该实验,以下说法中不正确的是 () A.在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木板,反复移动木板的位置,直到小车在砂桶和砂的拉动下带动纸带做匀速直线运动,以平衡小车运动中受到的摩擦力B.实验中必须使砂桶和砂的总质量远小于小车的质量C.细线对小车的真实拉力一定略小于砂桶和砂的总重力D.该实验是应用“控制变量法”来探究牛顿第二定律的答案A把长木板一端垫高是为了平衡摩擦力,应该在不挂砂桶的情况下平衡摩擦力,使小车拖动纸带做匀速运动。2.“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示。 甲 (1)在平衡小车与木板之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带如图乙所示。计时器打点的时间间隔为0.02s。从比较清晰的点起,每5个点取一个计数点,量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度a=m/s2(结果保留两位有效数字)。(2)平衡摩擦力后,将5个相同的砝码都放在小车上。挂上砝码盘,然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中,测量小车的加速度。小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如表:砝码盘中砝码总重力F/N0.1960.3920.5880.7840.980加速度a/(m·s-2)0.691.181.662.182.70请根据实验数据作出a-F的关系图像。 (3)根据提供的实验数据作出的a-F图线不通过原点,请说明主要原因。答案(1)0.16(0.15也算对)(2)如图所示 (3)未计入砝码盘的重力解析(1)a= = m/s2=0.16m/s2,或a= = m/s2=0.15m/s2(2)见答案(3)实验时应测出砝码盘和砝码的总重力,而表中数据漏计了砝码盘的重力,导致合力F的测量值小于真实值,a-F图线不过原点。2ΔxT-22(3.68-3.52)100.12ΔxT-22(3.83-3.68)100.1深化拓展考点一实验中的两个“为什么”1.为什么只有当小车的质量远大于小盘和砝码总质量时,才可认为小盘和砝码的重力近似等于小车受到的拉力呢?分析:根据牛顿第二定律,对小盘和砝码:mg-F=ma对小车:F=Ma得F= = mg所以只有当M≫m时,F≈mg。MmgMm11mM2.本实验为什么画a- 图像而不画a-M图像。分析:实验中作出的是a- 图像。因为a-M图像是一条曲线,而根据曲线不好确定两个量的关系,这种情况下物理实验数据的处理多采用“化曲为直”的思想,作a- 图像。 1M1M1M1-1(2018石景山一模)某同学用如图1所示的装置探究“加速度与力和质量的关系”。(1)该实验开始前需要平衡摩擦力,在平衡摩擦力的时候(选填“需要”或“不需要”)挂砂桶,(选填“需要”或“不需要”)安装纸带和接通打点计时器;每次改变小车的质量后(选填“需要”或“不需要”)重新平衡摩擦力。(2)实验中打出的一条纸带的一部分如图2所示。纸带上标出了连续的3个计数点A、B、C,相邻计数点之间还有4个点没有标出。打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上。则打点计时器打B点时,小车的速度vB=m/s。  图1图2(3)该同学探究“小车的加速度与所受合外力的关系”时,通过测量和处理实验数据,得到如图3所示的a-F图线,发现图线不过坐标原点,请分析其原因是:;该图线斜率的物理意义是:。 图3答案(1)不需要需要不需要(2)0.44(0.43~0.45)(3)未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足(斜面倾角过小)小车质量的倒数解析(1)平衡摩擦力时,应让小车处于无动力状态,故不需要挂砂桶,但需要用纸带和打点计时器来验证是否平衡合适。由于平衡摩擦力后,对小车应满足mgsinθ=μmgcosθ,即sinθ=μcosθ,与m无关,故改变小车的质量后,并不需要重新平衡摩擦力。(2)由匀变速直线运动的推论:一段时间中间时刻的瞬时速度等于这段时间内的平均速度,可得vB= = cm/s=44cm/s=0.44m/s。(3)a-F图线不过原点,与横轴出现交点说明未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足,图线的斜率表示小车质量的倒数。ACACst13.30-4.500.21-2如图所示的实验装置可以探究加速度与力、质量的关系,小车上固定一个盒子,盒子内盛有砂子。砂桶的总质量(包括桶以及桶内砂子质量)记为m,小车的总质量(包括车、盒子及盒内砂子质量)记为M。 (1)验证在质量不变的情况下,加速度与合外力成正比时,从盒子中取出一些砂子,装入砂桶中,称量并记录砂桶的总重力mg,将该力视为合外力F,对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出。多次改变合外力F的大小,每次都会得到一个相应的加速度。本次实验中,桶内的砂子取自小车中,故系统的总质量不变。以合外力F为横轴,以加速度a为纵轴,画出a-F图像,图像是一条过原点的直线。①a-F图像斜率的物理意义是。②你认为把砂桶的总重力mg当作合外力F是否合理?答:。(选填“合理”或“不合理”)③本次实验中,是否应该满足M≫m这样的条件?答:(选填“是”或“否”);理由是。(2)验证在合外力不变的情况下,加速度与质量成反比;保持桶内砂子质量m不变,在盒子内添加或去掉一些砂子,验证加速度与质量的关系。本次实验中,桶内的砂子总质量不变,故系统所受的合外力不变。用图像法处理数据时,以加速度a为纵轴,应该以的倒数为横轴。答案(1)① ②合理③否因为实验的研究对象是整个系统,系统受到的合外力就等于mg(2)M+m1Mm解析(1)将小车上盒子内的砂子转移到桶中,保证了M+m不变,即系统的总质量不变,研究对象是整个系统,a= = ,可见a-F图像斜率的物理意义是 ,系统的合外力就等于所悬挂砂桶的重力mg,不必满足M≫m这样的条件。(2)保持桶内砂子质量不变,向小车上的盒子内添加或去掉部分砂子,是改变系统的总质量M+m,而系统所受的合外力仍等于所悬挂砂桶的重力mg,保证了合外力不变,由牛顿第二定律可知应该以M+m的倒数为横轴。FMm合mgMm1Mm考点二实验的创新方案以本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器设置题目,不脱离教材而又不拘泥教材,体现开放性、探究性、设计性等特点。某探究学习小组的同学要验证“牛顿第二定律”,他们在实验室组装了一套如图所示的装置,水平轨道上安装两个光电门,小车上固定有力传感器和挡光板,细线一端与力传感器连接,另一端跨过定滑轮挂上砝码盘。实验时首先保持轨道水平,通过调整砝码盘里砝码的质量让小车做匀速运动以实现平衡摩擦力,再进行后面的操作,并在实验中获得以下测量数据:小车、力传感器和挡光板的总质量M,平衡摩擦力时砝码和砝码盘的总质量m0,挡光板的宽度d,光电门1和2中心的距离s。 (1)该实验是否需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于车的质量?。(选填“需要”或“不需要”)(2)实验需用游标卡尺测量挡光板的宽度d,如图所示,d=mm。 (3)某次实验过程:力传感器的读数为F,小车通过光电门1和2的挡光时间分别为t1、t2(小车通过光电门2后,砝码盘才落地),已知重力加速度为g,则该实验要验证的表达式是。答案(1)不需要(2)5.50(3)F-m0g=M 2221-2ddtts解析(1)由于实验装置图中已给出了力传感器,所以不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于车的质量(m0≪M车)(2)d=5mm+0.05×10mm=5.50mm(3)小车在光电门1中心处的速度为v1= ,在光电门2中心处的速度为v2= ,所以根据 - =2as,可得a= 由F-f=Ma可知F-m0g=M 1dt2dt22v21v2221-2vvs2221-2ddtts