2020年物理高考大一轮复习 实验4 探究加速度与力、质量的关系课件

第三章牛顿运动定律高考总复习·物理实验四探究加速度与力、质量的关系高考总复习·物理知识梳理·夯实基础核心考点·分层突破目录知识梳理·夯实基础︿︿一、实验流程二、注意事项1．实验方法：控制变量法．2．平衡摩擦力：不悬挂小盘，但小车连着纸带．3．不重复：不重复平衡摩擦力．4．实验条件：M≫m.小盘和砝码的总重力可视为小车受到的拉力．5．一先一后一按住：先接通电源，后放小车，且在小车到达滑轮前按住小车．6．作图：作图时两轴标度比例要适当，各量须采用国际单位．三、误差分析1．因实验原理不完善引起误差．以小车、小盘和砝码整体为研究对象得mg＝(M＋m)a；以小车为研究对象得F＝Ma；求得F＝MM＋mmg＝11＋mMmgmg.本实验用小盘和砝码的总重力mg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．小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，由此引起的误差就越小．因此，满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量的目的就是减小因实验原理不完善而引起的误差．2．摩擦力平衡不准确造成误差．在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其他的均与正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器)，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各相邻两点间的距离相等．3．质量的测量误差、纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差、细绳或纸带不与木板平行等都会引起误差．核心考点·分层突破︿︿考点1实验原理与基本操作【例题1】(2019·芜湖一中高三期末)在探究“牛顿第二定律”时，某小组设计双车位移比较法来探究加速度与力的关系．实验装置如图所示，将轨道分上下双层排列，两小车后的刹车线穿过尾端固定板，由安装在后面的刹车系统同时进行控制(未画出刹车系统)．通过改变砝码盘中的砝码来改变拉力大小．通过比较两小车的位移来比较两小车的加速度大小．已知两车质量均为200g，实验数据如表所示：实验次数小车拉力F/N位移s/cm拉力比F甲/F乙位移比s甲/s乙甲0.122.31乙0.243.50.500.51甲0.229.02乙0.343.00.670.67甲0.341.03乙0.455.40.750.74试根据该实验的情境，回答下列问题：(1)两小车的位移s甲、s乙与加速度a甲、a乙的关系满足．(2)分析表中数据可得到结论：.(3)该装置中的刹车系统的作用是．解析(1)由s＝12at2可知，s甲s乙＝a甲a乙.(2)分析表中数据可得到结论：在小车的质量相同的情况下，小车的加速度与外力成正比．(3)该装置中的刹车系统的作用是：让两个小车同时运动，同时停车，确保两车的运动时间相同．答案(1)s甲s乙＝a甲a乙(2)在小车的质量相同的情况下，小车的加速度与外力成正比(3)让两个小车同时运动，同时停车，确保两车的运动时间相同【跟踪训练1】(2019·北京怀柔区高三质检)某同学设计了如图所示的装置来验证“加速度与力的关系”．把打点计时器固定在长木板上，把纸带穿过打点计时器连在小车的左端．将数字测力计固定在小车上，小车放在长木板上．在数字测力计的右侧拴有一细线，细线跨过固定在木板边缘的定滑轮与一重物相连，在重物的牵引下，小车在木板上加速运动，数字测力计可以直接显示细线拉力的大小．(1)采用数字测力计测量细线拉力与用重物重力代替拉力的方法相比．(选填选项前的字母)A．可以不用平衡摩擦力B．直接测量小车(包括测力计)所受的拉力，可以减少误差C．利用此实验装置不用测量重物的质量D．重物的质量要远远小于小车和数字测力计的总质量(2)如图所示是某同学在此实验中获得的一条纸带，其中两相邻计数点间有四个点未画出．已知打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz，则小车运动的加速度a＝m/s2.(3)①保持小车和数字测力计的总质量一定，改变钩码的质量，测出相应的加速度．采用图象法处理数据．请同学们根据测量数据作出a­F图象．②试分析上图中图象不过坐标原点的原因：.解析(1)在实验中认为拉力为小车的合力，仍然需要平衡摩擦力，故选项A错误；若用钩码拉小车，绳子的拉力小于钩码的重力，用此装置可以直接测量小车所受的拉力，减小误差，故选项B正确；因为拉力的大小通过数字测力计测量出来，不需要测量重物的质量，也不需要满足重物的质量要远远小于小车和数字测力计的总质量，故选项C正确，D错误．(2)由纸带可知，在连续相等时间内的位移之差Δx＝0.39cm，根据Δx＝aT2得，加速度a＝ΔxT2＝0.39×10－20.01m/s2＝0.39m/s2.(3)①根据所描的点作出a－F图线，如图所示．②由图象可知，当力F到达某一值时小车才有加速度，说明没有平衡好摩擦力或木板倾角偏小．答案(1)BC(2)0.39m/s2(3)①见解析图②没有平衡好摩擦力或木板倾角偏小考点2实验原理与数据处理【例题2】(2019·深圳宝安中学高三考前冲刺)如图甲所示为某同学设计的“探究加速度与物体所受合力F及质量m的关系”实验装置简图，在实验中认为细线对小车拉力F的大小等于砝码和砝码盘的总重力，小车运动的加速度a的大小可由纸带上的点求得．(1)实验过程中，电火花计时器应接在(选填“直流”或“交流”)电源上，连接小车与砝码盘的细线跨过定滑轮，调整定滑轮，使．(2)图乙是实验中获取的一条纸带的一部分，其中0、1、2、3、4是计数点，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，计数点间的距离如图乙所示，打“4”计数点时小车的速度大小为v＝m/s；由纸带求出小车的加速度的大小a＝m/s2.(计算结果均保留两位有效数字)(3)在“探究加速度与合力的关系”时，保持小车的质量不变，改变砝码盘中砝码的质量，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F关系图线如图丙所示，该图线不通过坐标原点，原因可能是．解析(1)电火花计时器应接在交流电源上．调整定滑轮高度，使细线与木板平行．(2)根据匀变速直线运动中时间中点的速度等于该过程中的平均速度得v3＝x3＋x42T＝2.40＋2.88×10－20.2m/s＝0.26m/s，根据逐差法得a＝x4＋x3－x2－x14T2＝2.88＋2.40－1.89－1.40×10－24×0.12m/s2＝0.50m/s2，则v4＝v3＋aT＝0.31m/s.(3)由图象可知，a－F图象在a轴上有截距，说明没有加力时，物体已经产生了加速度，这是由于平衡摩擦力过度造成的．答案(1)交流细线与木板平行(2)0.310.50(3)平衡摩擦力过度【跟踪训练2­1】(2019·衡水中学高三检测)某学习小组用如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a­F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，实得到的加速度a的值可能是．(选填选项前的字母)A．12.0m/s2B．10.0m/s2C．5.0m/s2D．6.0m/s2解析(1)对铝箱分析，应有FT－mg＝ma，对滑轮应有F＝2FT，联立可解得a＝1m(F2－mg)＝12mF－g，可知图线的斜率k＝12m＝104，解得m＝0.20kg，纵轴截距－g＝－10m/s2，解得g＝10m/s2.(2)对砂桶和砂分析，应有Mg－FT＝Ma，对滑轮应有F＝2FT，联立可解得a＝g－12MF，当砂桶和砂的总质量较大，加速度a接近g，故实得到的加速度ag，选项C、D正确，A、B错误．答案(1)0.20kg10m/s2(2)CD【跟踪训练2­2】(2019·百校联盟高考名师猜题保温金卷)两实验小组分别做“探究加速度和力、质量的关系”实验．(1)A组用如图甲所示装置做实验，图中带滑轮的长木板放置于水平桌面上，拉力传感器可直接显示所受拉力的大小．做实验时，下列操作必要且正确的是．A．将长木板右端适当垫高，使小车能自由匀速滑动B．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，同时记录传感器的示数C．为了减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的质量远小于小车的质量D．用天平测出砂和砂桶的质量(2)B组用如图乙所示的实验装置来做实验．①在正确、规范的操作中，打出一条如图丙所示的纸带，每两个计数点之间还有四个计时点没有画出来，纸带上的数字为相邻两个计数点间的距离，打点计时器的频率为50Hz.打第4个计数点时小车的速度v4＝m/s；小车做匀加速直线运动的加速度a＝m/s2.(结果保留三位有效数字)解析(1)实验前要平衡摩擦力，将长木板右端适当垫高，使小车能自由匀速滑动，选项A正确；为充分利用纸带，小车应靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录传感器的示数，选项B正确；绳子的拉力可以由拉力传感器读出，实验中不需要保证砂和砂桶的质量远小于小车的质量，不需要用天平测出砂和砂桶的质量，选项C、D错误．(2)①每两个计数点之间还有四个计时点没有画出来，因此相邻两计数点间的时间间隔为T＝0.1s，打计数点4时小车的瞬时速度等于计数点3～5间的平均速度，则有v4＝0.111＋0.1310.2m/s＝1.21m/s；根据逐差法公式a＝x4＋x5＋x6－x1＋x2＋x39T2有a＝0.111＋0.131＋0.151－0.05－0.0705－0.0919×0.12m/s2＝2．02m/s2.②平衡了摩擦力后，对小车有T＝Ma，对砂和砂桶有mg－T＝ma，联立可得a＝mgM＋m.若满足m≪M，则有a＝mgM＝FM，即a－F的图象为直线，当砂和砂桶的质量较大时，不再满足m≪M这一条件，此情况下按相同方式描点的图象遵循a＝FM＋m规律，随着砂的质量的增加，a－F的图象的斜率为k＝1M＋m将减小，所以图线将向下弯曲．答案(1)AB(2)①1.212.02②C考点3实验改进与创新高考命题对本实验可从下列几个方面创新1．实验器材的改进：(1)气垫导轨替代长木板；(2)光电门替代打点计时器．2．实验方法的改进：(1)用力传感器或弹簧测力计测量对小车的拉力；(2)在验证a与F的关系时，保持小车、钩码和桶的总质量不变．3．数据处理方法的改进：小车的加速度可以利用传感器，借助于计算机来处理．【例题3】(2019·广东七校联合体高三联考)某同学用如图甲所示的实验装置做“探究加速度与质量关系”的实验．实验中，小车碰到制动装置时，遮光板已过光电门且钩码尚未到达地面．方法如下：在长木板近左端定滑轮处固定一光电门，如图乙所示，利用游标卡尺测得固定在小车上的遮光板的宽度d＝mm，测得小车释放点遮光板离光电门的距离为L.乙(1)静止释放小车，测得遮光板通过光电门的时间为t，则小车的加速度a＝.(用题目中的符号表示)(2)保持悬挂的钩码质量m恒定且已知，通过增加小车上砝码改变小车的质量，多次实验测得多组小车加速度a和小车质量M的数值，通过描点可得到加速度a与M、m的各种关系图象，下列四个图象正确的是.解析由题图所示游标卡尺可知，其示数为6mm＋16×0.05mm＝6.80mm.(1)小车经过光电门时的速度v＝dt，小车做初速度为零的匀加速直线运动，由速度位移公式得v2＝2aL，解得加速度a＝d22Lt2.(2)由图甲所示可知，实验前没有平衡摩擦力，由牛顿第二定律得mg－Ff＝(M＋m)a，整理得a＝(mg－Ff)1M＋m，阻力Ff与钩码质量m一定，a与1M＋m是一次函数关系，由数学知识可知，题图A、C所示图象正确，故选项A、C正确．答案6.80(1)d22Lt2(2)AC【跟踪训练3】(2018·江苏卷)某同学利用如图所示的实验装置来测量重力加速度g.细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为M的重锤．实验操作如下：①用米尺量出重锤1底端距地面的高度H；②在重锤1上加上质量为m的小钩码；③左手将重锤2压在地面上，保持系统静止．释放重锤2，同时右手开启秒表，在重锤1落地