20202021年高考物理实验方法补偿法含解析

12020-2021年高考物理实验方法：补偿法内容提要：在“探究加速度与物体受力的关系”的实验中，由于不能满足Mm的条件，致使所画的Fa图象出现弯曲使学生认为Fa不是准确的正比关系，为了解决这个问题，我们用补偿法来做这个实验，就是把钩码全放在小车上，然后一个一个地拿出挂在钩子上，这样，小车和钩码的总质量不变，也就不要求Mm的条件了，而画出来的Fa图象是过原点的直线。关键词：补偿法，探究，加速度与受力关系，实验“探究加速度与物体受力的关系”的实验装置如图所示.图中，置于试验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮：轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码。小车质量为kgm500.0，每个钩码的质量kgm010.00。（取2/10smg）平衡摩擦力后，将10个相同的钩码依次挂上，每次用打点计时器（图中未画出）测量小车的加速度。小车的加速度a与砝码总重力F的实验数据如下表：F/Na/m/s2000.10.1960780.20.3846150.30.5660380.40.7407410.50.9090910.61.0714290.71.228070.81.379310.91.5254241．01.666667用电脑Excel作出Fa图象如下图：2从图象可以看出，随着F的增大，图线不是直线（图中的红线是拟合线）。为了解决这个问题，我们用补偿法，方法如下：平衡摩擦力后，将10个相同的砝码都放在小车上.然后每次从小车上取一个砝码挂在细绳的另一端，测量加速度，得到小车的加速度a与砝码总重力F的实验数据如下表：F/Na/m/s2000.10.20.20.40.30.60.40.80.510.61.20.71.40.81.60.91.8123用电脑Excel作出Fa图象如下图：从图象可以看出，加速度a与力F成正比。例1．“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.（1）在平衡小车与桌面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一4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的实验数据如下表：砝码盘中砝码总重力F(N)0.1960.3920.5880.7840.980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）根据提供的试验数据作出的a-F图线不通过原点，请说明主要原因。【解析】（1）根据加速度2Txa,得2222/16.0/1.010)52.368.3(smsma或2222/15.0/1.010)68.383.3(smsma或者2222/16.0/1.0210)52.383.3(smsma（结果保留两位有效数字）（2）描点法作图如下图（3）因为已经平衡摩擦力了，所以原因是未计入砝码盘的重力【答案】(1)0.16(0.15也算对)（2）（见下图）5（3）未计入砝码盘的重力例2某物理课外小组利用图（a）中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。图中，置于试验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮：轻绳跨过滑轮，一段与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有N=5个，每个质量均为0.010kg。实验步骤如下：（1）将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物快，使小车（和钩码）可以在木板上匀速下滑。（2）将n（依次取n=1,2,3,4,5）个钩码挂在轻绳右端，其余N-n个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s-t图像，经数据处理后可得到相应的加速度a。（3）对应于不同的n的a值见下表。n=2时的s-t图像如图(b)所示：由图（b）求出此时小车的加速度（保留2位有效数字），将结果填入下表。n123452/msa0.200.580.781.00（4）利用表中的数据在图（c）中补齐数据点，并作出a-n图像。从图像可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比。（5）利用a–n图像求得小车（空载）的质量为_______kg（保留2位有效数字，重力加速度取g=9.8m·s–2）。（6）若以“保持木板水平”来代替步骤（1），下列说法正确的是_______（填入正确选项前6的标号）A．a–n图线不再是直线B．a–n图线仍是直线，但该直线不过原点C．a–n图线仍是直线，但该直线的斜率变大【解析】（3）因为小车做初速度为0的匀加速直线运动，故将（2,0.78）代入212xat可得2222/39.0/278.022smsmtxa（4）根据描点法可得如图所示图线（5）根据牛顿第二定律可得ammgnm)5(00，其中0m表示一个钩码的质量，m表示小车的质量，代入kgm010.00，n=1、2、3、4、5，以及相应的加速度得005magnmm例如当5n时，2/00.1sma，可求得00.18.9010.05m-010.05kg44.0例如当1时，2/20.0sma，可求得20.08.9010.01m-010.050.44kg（6）若平衡摩擦力，则有ammgnm)5(00，nmmgma005，a与n成正比，其图象是过原点的直线，直线的斜率为2.0010.0544.08.9010.0500mmgmk若木板水平，没有平衡摩擦力，则小车将受到木板的摩擦力，有ammgmnmgnm)5(])5([000，解得gnmmgma005)1(所以na图象仍然是直线，但不过原点并且斜率变大，因为斜率为7202.0010.0544.08.9010.0)01.01(5)1('00mmgmk，（设动摩擦因数0.01）.所以A错误，BC正确；【答案】（3）0.39（4）如图所示（5）0.44（6）BC【进一步研究】用电脑Excel作出平衡摩擦力的加速度a与不平衡摩擦力的加速度'a与挂在钩子上的砝码个数n的关系表。（注意：由于不平衡摩擦力的情况下，若只挂一个砝码时，拉力太小，不能使小车运动，所以从挂2个砝码开始）naa'0010.20.10220.390.30430.580.50640.780.708510.91用电脑Excel作出图象如下。00.20.40.60.811.20123456aa'从图象可以看出，如果不平衡摩擦力，则图象仍然是直线，但不过原点并且斜率大于平衡摩擦力时。例3．某同学设计了一个探究无轮子小车的加速度a与小车所受拉力F关系的实验，图甲为实验装置简图．（计算结果保留两位小数）(1)他想用钩码的重力表示小车受到的合外力，为了减小这种做法带来的实验误差，你认为8下列说法正确的是（_____）A．实验时要平衡摩擦力B．实验时不需要平衡摩擦力C．钩码的重力要远小于小车的总重力D．实验进行时应先释放小车再接通电源(2)如图乙所示是某次实验中得到的一条纸带，其中0，1、2、3、4、5、6是计数点，相邻计数点间有4个点未画出，距离如图所示．则打2点时小车的速度为_______m/s；该同学计算小车加速度大小为______m/s2。(3)当长木板水平放置时，保持实验小车重量20N不变，改变砂和砂桶质量，得到图丙中的图线不过原点．现在要让图线过原点，则长木板与水平桌面的倾角应该调整为θ，则tanθ=________．【解析】(1)根据实验原理我们知道，为了让砝码的重力更加接近为小车的合外力，本实验中需要平衡摩擦力和让砝码重力远远小于小车重力，实验时先接通电源后释放小车。故AC正确，BD错误。(2)相邻计数点间有4个点未画出，0.10Ts打2点时小车的速度21324.405.9510/0.52/20.2xvmsmsT9小车加速度22236032210.709.107.605.954.402.8010/1.58/0.303xxamsmsT(3)长木板水平放置时，实验小车重量20N，拉力为10N时刚要开始运动，Fmg解得0.50，平衡摩擦力时，重力沿斜面向下的分量与摩擦力大小相等sincosmgmg，解得1tan2【答案】（1）AC（2）0.521.58（3）0.50或12。例4．用如图所示的装置验证牛顿第二定律。图中A、B为两个光电门，C为固定在凹槽上的遮光条。实验前（不挂钩码）左右移动小木块使凹槽能够在长木板上匀速运动。设遮光条的宽度为d，两光电门间的距离为x。实验时凹槽每次都从同一位置由静止释放，研究对象为凹槽（包括内部的砝码）及钩码组成的系统。（1）将钩码逐个拿到凹槽中，记录每次所悬挂钩码的质量m1、m2、m3……，释放凹槽，测出对应的加速度a1、a2、a3……，则下列哪一图象能正确反映加速度a与悬挂钩码的重力mg之间的关系______。（2）悬挂钩码的质量m保持不变，增加或减少槽内的砝码，测出每次对应的加速度，为了能直观反映在合外力一定的情况下，加速度与质量的关系，应做下列哪一图象______（M表示槽及槽内砝码的总质量）。A．a-MB．a-mC.)(MmaD.Mma1（3）为了精确测量系统运动的加速度，甲同学固定光电门B，移动光电门A，然后释放凹槽，测出遮光条每次经过光电门A的时间t1。乙同学固定光电门A，移动光电门B，然后释放凹10槽，测出遮光条每次经过光电门B的时间t2，两位同学根据图象求解系统的加速度。甲同学做出的图象应为下图中的______，乙同学做出的图象应为下图中的______。若甲同学所做图象的斜率的绝对值为k，则系统的加速度a=______。【解析】（1）由牛顿第二定律，对凹形槽（包括砝码）及钩码系统：，即故选B.（2）若钩码的质量m不变，则,解得，则为了能直观反映在合外力一定的情况下，加速度与质量的关系，应做Mma1图象；故选D.（3）甲同学固定光电门B，则经过光电门B的速度vB一定；经过光电门A的速度，则即axtdvB212122，得xdadvtB2222121，则甲同学做出的图象应为下图中的B；乙同学固定光电门A，则经过光电门A的速度vA一定；经过光电门B的速度，则即axvtdA212122，得xdadvtA2222121，则乙同学做出的图象应为下图中的C；甲同学所做图象的斜率的绝对值为k，则kda22，所以系统的加速度a=22kd【答案】（1）B（2）D（3）BC