2021高考物理一轮复习-第3章-牛顿运动定律-实验4-探究加速度与力、质量的关系学案.doc

2021高考物理一轮复习 第3章 牛顿运动定律 实验4 探究加速度与力、质量的关系学案2021高考物理一轮复习 第3章 牛顿运动定律 实验4 探究加速度与力、质量的关系学案年级：姓名：- 18 -实验四探究加速度与力、质量的关系1学会用控制变量法研究物理规律。2探究加速度与力、质量的关系。3掌握利用图象处理数据的方法。探究加速度a与力F及质量M的关系时，应用的基本方法是控制变量法，即先控制一个参量小车的质量M不变，探究加速度a与力F的关系，再控制砝码和小盘的质量不变，即力F不变，改变小车质量M，探究加速度a与M的关系。打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板，小盘、砝码、夹子、细绳、垫木、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺。1称量质量用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0。2安装器材按照如图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)。3平衡摩擦力在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，反复移动薄木块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态。4让小车靠近打点计时器，挂上小盘和砝码，先接通电源，再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑，打出一条纸带。计算小盘和砝码的重力，即为小车所受的合外力，由纸带计算出小车的加速度，并把力和对应的加速度填入表1中。5改变小盘内砝码的个数，重复步骤4，并多做几次。6保持小盘内的砝码个数不变，在小车上放上砝码改变小车的质量，让小车在木板上滑动打出纸带。计算砝码和小车的总质量M，并由纸带计算出小车对应的加速度，并将所对应的质量和加速度填入表2中。7改变小车上砝码的个数，重复步骤6，并多做几次。表1实验次数加速度a/(ms2)小车受力F/N1234表2实验次数加速度a/(ms2)小车和砝码的总质量M/kg12341计算加速度先在各条纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，再根据逐差法计算纸带对应的加速度。2作图象找关系根据表1中记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力F，建立直角坐标系，描点画aF图象，如果图象是一条过原点的倾斜直线，便证明加速度与合外力成正比。再根据表2中记录的各组对应的加速度a与小车和砝码的总质量M，建立直角坐标系，描点画a图象，如果图象是一条过原点的倾斜直线，就证明了加速度与质量成反比。1因实验原理不完善引起误差。以小盘和砝码整体(整体质量为mm0m砝)为研究对象得mgFma；以小车为研究对象得FMa；求得FmgmgF0时，木板才产生加速度，排除A、B；随着继续向瓶中加水，矿泉水瓶和水的总质量m不断增加，矿泉水瓶和水的总质量m不再远小于木板的质量M，由牛顿第二定律得：mgTma，TF0Ma，故a，其中F1mg，开始mM，图线为倾斜直线，m较大时，图线斜率减小，故选C。(3)加水不可以改变滑动摩擦力的大小，故A错误；缓慢向瓶中加水，可以更方便地获取多组实验数据，故B正确；缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动，可以比较精确地测出摩擦力的大小，故C正确；两者都能获得很大的加速度，故D错误；故B、C正确。变式31某同学为验证牛顿第二定律而设计的实验装置如图所示，图中绳子不可伸长，已知左侧托盘及砝码质量为m1，右侧托盘及砝码质量为m2，且m1m2，现由静止释放左侧托盘，测量系统加速度大小。然后改变m1、m2质量，重复实验多次。(1)该同学利用图示实验装置求得左侧托盘及砝码的加速度的表达式a_(用字母m1、m2及g表示)。(2)该同学认为，只要保持_不变，即可得出m1、m2系统的加速度大小与系统的合外力成正比；只要保持_不变，即可得出m1、m2系统的加速度大小与系统的总质量成反比。(3)该同学用此装置多次测量系统的加速度大小a，并用天平测出m1、m2的质量，利用(1)中的表达式计算出系统的加速度a，发现a总是_a(填“大于”“等于”或“小于”)。答案(1)(2)m1m2m1m2(3)小于解析(1)由牛顿第二定律得m1gTm1a，Tm2gm2a，联立得a。(2)当系统质量不变，即m1m2不变时，可得出系统的加速度大小与系统的合外力成正比；当系统合外力不变，即m1m2不变时，可得出系统的加速度大小与系统的总质量成反比。(3)由于实际测量时会有阻力，造成系统误差，使a总是小于a。变式32(2020安徽示范高中高三上学期联考)为了测量木块与木板间的动摩擦因数，某小组使用DIS位移传感器设计了如图甲所示的实验装置，让木块从倾斜木板上一点A由静止释放，位移传感器可以测出木块到传感器的距离。位移传感器连接计算机，描绘出木块相对传感器的位移x随时间t的变化规律如图乙所示。(1)根据图乙，计算0.4 s时木块的速度v_ m/s，木块的加速度a_ m/s2。(结果均保留两位有效数字)(2)为了测定动摩擦因数，还需要测量的量是_；得出的表达式为_(已知当地的重力加速度g)。答案(1)0.401.0(2)木板与水平面的夹角解析(1)根据做匀变速直线运动的物体某段时间内的平均速度等于这段时间内中间时刻的瞬时速度得，木块0.4 s末的速度为v m/s0.40 m/s；0.2 s末的速度为v m/s0.20 m/s；则木块的加速度a1.0 m/s2。(2)选取木块为研究对象，由牛顿第二定律有mgsinmgcosma，解得，所以要测定动摩擦因数，还需要测出木板与水平面间的夹角。(在求解加速度时，还可以结合题图用xaT2来计算，T0.2 s，x0.04 m，可得出加速度a1.0 m/s2。)高考模拟 随堂集训1(2016全国卷)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，置于实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车相连，另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有N5个，每个质量均为0.010 kg。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块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑。(2)将n(依次取n1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端，其余Nn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st图象，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。n2时的st图象如图b所示；由图b求出此时小车的加速度(保留两位有效数字)，将结果填入下表。n12345a/(ms2)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an图象。从图象可以看出：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an图象求得小车(空载)的质量为_kg(保留两位有效数字，重力加速度取g9.8 ms2)。(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是_(填入正确选项前的标号)。Aan图线不再是直线Ban图线仍是直线，但该直线不过原点Can图线仍是直线，但该直线的斜率变大答案(3)0.39(在0.370.42范围内也可)(4)如图所示(5)0.45(在0.430.47范围内也可)(6)BC解析(3)由sat2得：a，在st图象中找一点坐标，代入公式即可求出a。(5)对小车和钩码组成的系统应用牛顿第二定律：nmgTnma，T(Nn)mMa，联立得a，an图象的斜率k，从而可解出M。(6)对于已平衡摩擦力的情况，an；对于木板水平的情况，由牛顿第二定律：nmgTnma，T(Nn)mMg(Nn)mMa，联立得：ang，比较可知，B、C均正确。2(2019湖北武汉市调研)某同学用如图所示装置来探究“在外力一定时，物体的加速度与其质量之间的关系”。(1)下列实验中的相关操作，正确的是_。A平衡摩擦力时，应先将沙桶用细线绕过定滑轮系在小车上B平衡摩擦力时，小车后面应固定一条纸带，纸带穿过打点计时器C小车释放前应靠近打点计时器，且先释放小车后接通打点计时器的电源(2)将沙和沙桶的总重力mg近似地当成小车所受的拉力F会给实验带来系统误差。设小车所受拉力的真实值为F真，为了使系统误差5%，则小车和砝码的总质量M与m应当满足的条件是_。(3)在完成实验操作后，用图象法处理数据，得到小车的加速度的倒数与小车的质量M的关系图象，正确的是_。答案(1)B(2)0.05(3)C解析(1)平衡摩擦力时，应不挂沙桶，只让小车拖着纸带在木板上做匀速运动，A错误；平衡摩擦力时，小车后面应固定一条纸带，纸带穿过打点计时器，B正确；小车释放前应靠近打点计时器，且先接通打点计时器的电源后释放小车，C错误。(2)对小车，根据牛顿第二定律得：a，对沙和沙桶，根据牛顿第二定律得：a，且5%，联立解得0.05。(3)由牛顿第二定律可知：F真Ma，mgF真ma，联立解得a，则M，M图线是一条纵截距大于零的倾斜直线，C正确。3(2019河北衡水中学高三二调)如图甲(侧视图只画了一个小车)所示的实验装置可以验证“牛顿第二定律”，两个相同的小车放在光滑水平桌面上，右端各系一条细绳，跨过定滑轮各挂一个小盘，增减盘中的砝码可改变小车受到的合外力，增减车上的砝码可改变小车的质量。两车左端各系一条细线，用一个黑板擦把两细线同时按在固定、粗糙的水平垫片上，使小车静止(如图乙)。抬起黑板擦两车同时运动，在两车碰到滑轮前，迅速按下黑板擦，两车立刻停止，测出两车位移的大小。(1)该实验中，盘和盘中砝码的总质量应_小车及车上砝码的总质量(填“远大于”“远小于”或“等于”)。(2)图丙为某同学在验证“合外力不变时，加速度与质量成反比”时的实验记录，已测得小车1的总质量M1100 g，小车2的总质量M2200 g。由图可读出小车1的位移x15.00 m，小车2的位移x2_ cm，可以算出_(结果保留三位有效数字)；在实验误差允许的范围内，_(填“大于”“小于”或“等于”)。答案(1)远小于(2)2.45(2.422.48均可)2.04(2.022.07均可)等于解析(1)要使实验中盘和盘中砝码的总重力近似等于细线的拉力，盘和盘中砝码的总质量应远小于小车及车上砝码的总质量。(2)由图可知，小车2的位移x22.45 cm，由匀变速直线运动的位移公式可知，xat2，即a，由于两车运动的时间相等，所以2.04，故在实验误差允许的范围内，。4(2019全国卷)如图a，某同学设计了测量铁块与木板间动摩擦因数的实验。所用器材有：铁架台、长木板、铁块、米尺、电磁打点计时器、频率50 Hz的交流电源、纸带等。回答下列问题：(1)铁块与木板间动摩擦因数_(用木板与水平面的夹角、重力加速度g和铁块下滑的加速度a表示)。(2)某次实验时，调整木板与水平面的夹角使30。接通电源，开启打点计时器，释放铁块，铁块从静止开始沿木板滑下。多次重复后选择点迹清晰的一条纸带，如图b所示。图中的点为计数点(每两个相邻的计数点间还有4个点未画出)。重力加速度为9.80 m/s2，可以计算出铁块与木板间的动摩擦因数为_(结果保留2位小数)。答案(1)(2)0.35解析(1)铁块受重力、木板弹力及摩擦力作用，受力分析如图。由牛顿第二定律得：mgsinFNma且FNmgcos联立以上两式解得。(2)由逐差法求铁块加速度：a m/s21.97 m/s2代入，得0.35。