2021高考物理一轮复习实验四探究加速度与物体受力物体质量的关系题型突破练含解析鲁科版

-1-实验四探究加速度与物体受力、物体质量的关系热点一教材原型实验【典例1】某同学用如图甲所示的装置探究“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。(2)实验中打出的一条纸带的一部分如图乙所示。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。(3)该同学探究“小车的加速度与所受合力的关系”时，通过测量和处理实验数据，得到如图丙所示的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：。【解析】(1)平衡摩擦力的目的是使小车所受合力为绳的拉力，所以不需要挂砂桶；(2)B点的瞬时速度即为AC段的平均速度vB==0.44m/s；(3)由图象可知，拉力F小于0.1N时，小车没有加速度，所以未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足(斜面倾角过小)，由牛顿第二定律可知，图象斜率为小车质量的倒数。答案：(1)不需要(2)0.44(0.43～0.45)-2-(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【解题通法】依据实验目的确定实验步骤。(1)若需要拉力作为合力，则需要平衡摩擦力。(2)若需要以砂桶和砂的重力近似等于拉力，则需要砂桶和砂的质量远小于小车质量。热点二创新型实验实验器材改进【典例2】(2019·衡水模拟)某学习小组用图甲所示的装置探究加速度与合力的关系。装置中的铝箱下端连接纸带，砂桶中可放置砂子以改变铝箱所受的外力大小，铝箱向上运动的加速度a可由打点计时器和纸带测出，现保持铝箱总质量不变，逐渐增大砂桶和砂的总质量进行多次实验，得到多组a、F值(F为力传感器的示数，等于悬挂滑轮绳子的拉力)，不计滑轮的重力。(1)某同学根据实验数据画出了a-F关系图线如图乙所示,则由该图象可得铝箱总质量m=_______________,重力加速度g=_______________。(结果保留两位有效数字)(2)当砂桶和砂的总质量M较大导致a较大时,实际得到的加速度a的值可能是_______________(填选项前的字母)。A.120m/s2B.10.0m/s2C.5.0m/s2D.6.0m/s2创新点分析一是实验装置发生了较大的变化;二是力的测量方法变为应用力传感器测量。【解析】(1)对铝箱分析,应有T-mg=ma,对滑轮应有F=2T,联立可解得a=F-g,-3-可知图线的斜率k==,解得m=0.20kg,纵轴截距-g=-10,解得g=10m/s2;(2)对砂桶和砂分析,应有Mg-T=Ma,对滑轮应有F=2T,联立可解得a=g-F,当砂桶和砂的总质量较大时,加速度a接近g,故实际得到的加速度ag,故C、D正确,A、B错误。答案:(1)0.20kg10m/s2(2)C、D数据测量方法的改进【典例3】光电计时器是一种研究物体运动情况的常见仪器。当有物体从光电门通过时,光电计时器就可以显示物体的挡光时间。现利用如图甲所示的装置探究物体的加速度与合外力、质量的关系,其NQ是水平桌面,PQ是一端带有滑轮的长木板,1、2是固定在木板上的两个光电门(与之连接的两个光电计时器没有画出)。小车上固定着用于挡光的窄片K,测得其宽度为d,让小车从木板的顶端滑下,光电门各自连接的计时器显示窄片K的挡光时间分别为t1和t2。(1)该实验中,在改变小车的质量M或砂桶的总质量m时,保持M≫m,这样做的目的是_____________________。(2)为了计算出小车的加速度,除了测量d、t1和t2之外,还需要测量______________,若上述测量量用x表示,则用这些物理量计算加速度的表达式为a=______________。(3)某位同学经过测量、计算得到如表数据,请在图乙中作出小车加速度与所受合外力的关系图象。-4-组别1234567M/kg0.580.580.580.580.580.580.58F/N0.100.150.200.250.300.350.40a/m·s-20.130.170.260.340.430.510.59(4)由图象可以看出,该实验存在着较大的误差,产生误差的主要原因是:__________。创新点分析测量瞬时速度的仪器由打点计时器改为光电门,窄片宽度与挡光时间比值为瞬时速度。【解析】(1)该实验中,在改变小车的质量M或砂桶的总质量m时,保持M≫m,这样做的目的是使得小车所受合外力大小等于(或约等于)mg。(2)为了计算出小车的加速度,除了测量d、t1和t2之外,还需要测量两光电门之间的距离,若上述测量量用x表示,小车通过两光电门的速度分别为v1=和v2=,则根据-=2ax可得a===。若测量出经过1、2时的时间x,根据:a=得a=。(3)图线如图所示:(4)由图象可以看出,产生误差的主要原因是木板倾角偏小(或平衡摩擦力不足)。答案:(1)使小车所受合外力大小等于(或约等于)mg-5-(2)两光电门之间的距离(或小车由光电门1运动至光电门2所用时间)[或d](3)见解析图(4)木板倾角偏小(或平衡摩擦力不足)实验目的的创新【典例4】现在需要测量物块与木板之间的动摩擦因数,备有如下器材:两个相同的物块A、B,两个带有固定装置的光滑小滑轮,卡子若干,相同质量的钩码若干,一把镊子,一个黑板擦,几条等长轻质细线,两个小盘,小丁和晓平两个同学配合进行如下实验:首先把木板固定在水平桌面上,把两小滑轮固定在木板的左端,把两个物块A和B(平行木板左边缘、AB距离较近)放到木板的右端,用细线把物块和小盘通过小滑轮连接,通过调整小滑轮的高度使木板上方的细线水平,在物块A和B左端固定好细线;晓平同学用黑板擦按住两个物块A、B,小丁同学在两个小盘里放上不同个数的钩码,然后晓平同学抬起黑板擦,两个物块同时运动起来,当运动较快的物块接近木板左端时按下黑板擦,两个物块同时停下来。(1)为完成此实验,还需要如下器材中的_______________。A.秒表B.弹簧测力计C.刻度尺D.天平(2)晓平和小丁同学共同测量出A和B在木板上的位移,分别记作xA和xB,物块A、B的质量均为m,物块A和对应小盘里钩码、小盘总质量的和为2m,物块B和对应小盘里钩码、小盘的总质量的和为3m,根据这些物理量求出物块和木板之间的动摩擦因数μ的表达式__________________。(3)若细线与木板上表面平行,而木板左端比右端略低(没有超过重力沿斜面向下的分力和滑动摩擦力相等的角度),则测量的动摩擦因数比真实值_______________(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。-6-创新点分析虽然仍采用了小盘拉物体的实验装置,但实验目的变为测量动摩擦因数,实验的理论依据是牛顿第二定律。【解析】(1)实验过程中需要根据牛顿第二定律分析问题,需要用到运动学公式解决加速度问题,所以需要刻度尺测量位移和天平测量质量,故C、D正确。(2)因为两个物块在细线的拉力作用下,做初速度为零的匀加速直线运动,并且两者的运动时间相同,根据公式x=at2可得xA=aAt2、xB=aBt2,故有=,根据牛顿第二定律,对A和钩码、小盘整体有:mg-μmg=2maA,对B和钩码、小盘整体有2mg-μmg=3maB,故联立上式可得μ=。(3)木板左端比右端略低,设木板与水平桌面夹角为θ,则实际情况应满足mg+mgsinθ-μ′mgcosθ=2maA,2mg+mgsinθ-μ′mgcosθ=3maB,联立可得μ′=·+tanθ,由于θ极小,tanθ近似为0,1,故μ=μ′,比实际值偏小。答案:(1)C、D(2)μ=(3)偏小创新角度-7-装置时代化求解智能化1.平衡摩擦力:靠小车重力的下滑分力平衡摩擦力→气垫导轨减小摩擦力2.加速度测量方法:通过打点纸带求加速度→测定通过的时间,由a=求出加速度→小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到