新人教版實驗四探究加速度與物體受力物體質量的關系學案

實驗四探究加速度與物體受力、物體質量的關系【素養(yǎng)目標】1.理解實驗的原理，明確實驗過程并能進行數據處理.2.了解實驗的注意事項，會對實驗進行誤差分析.3.能對實驗進行創(chuàng)新改進．必備知識·自主落實一、基本思路與操作裝置圖和思路操作要領思路：(1)保持小車質量不變→測得不同拉力下小車運動的加速度→分析二者之間的定量關系．(2)保持小車所受的拉力不變→測得不同質量的小車運動的加速度→分析二者的定量關系．(1)測量：用天平測出小車和槽碼的質量分別為M0、m0，并把數值記錄下來．(2)安裝實驗器材：將小車置于帶有定滑輪的木板上，將紙帶穿過打點計時器后掛在小車尾部．(3)平衡摩擦力：用薄墊塊將一端墊高，平衡摩擦力(改變小車的質量或槽碼的數量，無須重新平衡摩擦力)．(4)懸掛槽碼：在細線一端掛上槽碼，另一端系在小車前端．(5)收集紙帶數據：先開啟打點計時器，再釋放小車，在紙帶上打出一系列點．(6)改變小車受力：保持小車的質量不變，通過增加槽碼的數量改變小車受力．(7)改變小車質量：保持槽碼的數量(小車所受的拉力)不變，通過增加或減少小車上的砝碼的方式，改變小車的質量．二、數據處理和實驗結論1．利用Δx＝aT2及逐差法求a.2．以a為縱坐標，F為橫坐標，根據各組數據描點，如果這些點在一條過原點的直線上，如圖甲所示，說明a與F成正比．3．以a為縱坐標，1M為橫坐標，描點、連線，如果連線為過原點的直線，如圖乙所示，就能判定a與M成反比注意事項(1)實驗方法：控制變量法．(2)必須使槽碼質量遠小于小車總質量，其目的是用槽碼重力替代小車所受的拉力．(3)平衡摩擦力應注意以下兩點：①不系槽碼．②連好紙帶接通打點計時器，反復調節(jié)傾角，紙帶上打出的點跡均勻分布時，說明已經平衡了摩擦力．平衡摩擦力摩擦力如何被平衡墊高長木板遠離滑輪的一端平衡摩擦力的目的用小車所受的拉力替代合力平衡摩擦力的原理mgsinθ＝Ff，改變小車的質量時，不需重新平衡摩擦力引起誤差的原因(1)質量的測量、紙帶上計數點間距離的測量、細繩或紙帶不與木板平行等都會造成誤差．(2)實驗原理不完善引起誤差．(3)平衡摩擦力不準確會造成誤差．關鍵能力·精準突破考點一教材原型實驗例1[2023·河北唐山高三模擬]某同學用如圖甲所示的實驗裝置來“探究a與F、m之間的定量關系”．(1)實驗時，必須先平衡小車與木板之間的摩擦力，該同學是這樣操作的：如圖乙，將小車靜止地放在水平長木板上，并連著已穿過打點計時器的紙帶，調整木板右端的高度，接通電源，用手輕推小車，讓打點計時器在紙帶上打出一系列________的點，說明小車已平衡摩擦力．(2)如果該同學先如(1)中的操作，平衡了摩擦力．設砂和砂桶的重力為F，在小車質量M保持不變的情況下，不斷往桶里加砂，砂和砂桶的質量最終達到13M，測小車加速度a，作出的a－F圖像正確的是________(3)下圖是實驗中得到的一條紙帶，A、B、C、D、E、F、G為7個相鄰的計數點，相鄰的兩個計數點之間還有四個點未畫出，量出相鄰的計數點之間的距離分別為xAB＝cm，xBC＝cm，xCD＝cm，xDE＝cm，xEF＝cm，xFG＝cm，已知打點計時器的工作頻率為50Hz，則紙帶上D點的速度vD＝________m/s，小車的加速度a＝________m/s2(結果均保留兩位有效數字)．(4)若打點計時器實際工作頻率是48Hz，而該同學不知情，則該同學算出來的加速度________真實值(填“大于”“等于”或“小于”)．針對訓練1.[2023·四川成都高三入學考試]如圖甲所示是某同學探究“小車加速度與力的關系”的實驗裝置，他將光電門固定在水平軌道上的B點，用不同重物通過細線拉同一小車，每次小車都從同一位置A由靜止釋放．(1)若用游標卡尺測出遮光條的寬度d，如圖乙所示，則寬度為________mm，實驗時將小車從圖示位置由靜止釋放，由數字計時器讀出遮光條通過光電門的時間Δt，則小車經過光電門的速度為v＝________(用字母表示)．(2)將重物的重力mg近似地當成小車所受的拉力F會給實驗帶來系統誤差．設小車所受拉力的真實值為F真，為了使系統誤差mg-F真F真<5%，小車的質量是M，則M與m2．[2023·四川成都高三(下)測試]在“探究加速度與力的關系”實驗中，某小組設計了如圖所示的實驗裝置．圖中上下兩層前端固定有光滑滑輪，兩相同小車前端各系一條細線，細線跨過定滑輪并掛上一個砝碼盤，盤中可放砝碼，小車Ⅱ所掛砝碼和砝碼盤的總質量是小車Ⅰ所掛砝碼和砝碼盤總質量的兩倍，將砝碼和砝碼盤的總重作為小車所受合外力，兩小車尾部各系一條細線連到控制裝置上，實驗時通過控制裝置使兩小車同時開始運動，按下裝置兩小車同時立即停止．某次實驗時小車Ⅰ的位移為s1，小車Ⅱ的位移為s2.(1)為了減小實驗誤差，下列說法正確的是()A．實驗之前將軌道傾斜來平衡摩擦力，平衡摩擦力時需要掛上砝碼盤和砝碼B．實驗之前將軌道傾斜來平衡摩擦力，平衡摩擦力時不需要掛上砝碼盤和砝碼C．砝碼盤和砝碼的總質量應遠大于小車的質量D．砝碼盤和砝碼的總質量應遠小于小車的質量(2)若實驗測得小車Ⅱ位移近似是小車Ⅰ位移的兩倍，則可得實驗結論是：在質量一定的情況下，物體的加速度與所受到的合外力成________(填“正比”或“反比”)．(3)由于實驗中將砝碼和砝碼盤的總重力作為小車所受合外力的大小，因此s1和s2的大小關系是()A．2s1>s2B．2s1＝s2C．2s1<s2考點二探索創(chuàng)新實驗考向1實驗器材的創(chuàng)新例2為了探究物體質量一定時加速度與力的關系，某同學設計了如圖甲所示的實驗裝置，其中M為小車的質量，m0為砂和砂桶的總質量．一輕繩跨過輕質定滑輪和動滑輪一端連接沙桶，另一端連接力傳感器，力傳感器可測出輕繩中的拉力大?。畬嶒炦^程中，每次在釋放小車前，先讀出力傳感器的示數并記為F.(1)實驗過程中，下列操作正確的是________．A．調整長木板左端的定滑輪，使得輕繩與長木板平行B．在不掛砂桶的前提下，將帶滑輪的長木板右端墊高，以平衡摩擦力C．小車靠近打點計時器，先釋放小車，再接通電源D．為減小誤差，實驗中要保證砂和砂桶的總質量m0遠小于小車的質量M(2)該同學在實驗中得到如圖丙所示的一條紙帶(兩計數點間還有四個點沒有畫出)，已知打點計時器采用的是頻率為50Hz的交流電，根據紙帶可求出小車的加速度為________m/s2(結果保留兩位有效數字)．(3)該同學以力傳感器的示數F為橫坐標，加速度a為縱坐標，畫出的a－F圖像是一條直線，如圖乙所示，圖線與橫坐標軸的夾角為θ，求得圖線的斜率為k，則小車的質量為________．A．2tanθB．2C．1kD．考向2實驗方案的創(chuàng)新例3某物理興趣小組用如圖所示裝置探究加速度與合外力關系．已知當地重力加速度為g.(1)實驗步驟如下：第1步：把長木板不帶滑輪一端用鉸鏈固定在水平桌面上，另一端用墊塊墊起一定高度．兩光電門固定在木板上，且光電門1和2距離較遠，光電門1距離小滑塊(帶遮光條)比較近．第2步：通過調整砂桶內細砂的質量，直至給小滑塊一個沿木板向下的初速度，小滑塊勻速下滑，即觀察到遮光條通過兩光電門的時間________(填“相等”或“不相等”)為止．第3步：去掉小砂桶，把小滑塊緊挨小滑輪由靜止釋放，記錄遮光片(遮光條寬度為d)通過光電門2的時間t，同時測量出砂桶(包括里面的細砂)質量m.第4步：改變墊塊的位置，重復第2、3兩步．(2)在實驗步驟第3步中，小滑塊通過光電門的速度為________；去掉小砂桶，把小滑塊緊挨小滑輪由靜止釋放后，小滑塊所受到的合外力為________．(用題中所給的字母表示)．(3)設小滑塊(包括遮光條)質量為M，小滑塊釋放點到光電門2距離為x，若關系式m＝____________成立，可得質量一定時，加速度與合外力成正比．考向3實驗目的的創(chuàng)新例4[2022·山東卷]在天宮課堂中、我國航天員演示了利用牛頓第二定律測量物體質量的實驗．受此啟發(fā)，某同學利用氣墊導軌、力傳感器、無線加速度傳感器、輕彈簧和待測物體等器材設計了測量物體質量的實驗，如圖甲所示．主要步驟如下：①將力傳感器固定在氣墊導軌左端支架上，加速度傳感器固定在滑塊上；②接通氣源，放上滑塊，調平氣墊導軌；③將彈簧左端連接力傳感器，右端連接滑塊．彈簧處于原長時滑塊左端位于O點，A點到O點的距離為cm，拉動滑塊使其左端處于A點，由靜止釋放并開始計時；④計算機采集獲取數據，得到滑塊所受彈力F、加速度a隨時間t變化的圖像，部分圖像如圖乙所示．回答以下問題(結果均保留兩位有效數字)：(1)彈簧的勁度系數為________N/m.(2)該同學從圖乙中提取某些時刻F與a的數據，畫出a－F圖像如圖丙中Ⅰ所示，由此可得滑塊與加速度傳感器的總質量為______kg.(3)該同學在滑塊上增加待測物體，重復上述實驗步驟，在圖丙中畫出新的a－F圖像Ⅱ，則待測物體的質量為________kg.針對訓練3.某班級同學用如圖(1)所示的裝置驗證加速度a和力F、質量m的關系．甲、乙兩輛小車放在傾斜軌道上，小車甲上固定一個力傳感器，小車乙上固定一個加速度傳感器(可以測量乙在任意時刻的加速度大小)，力傳感器和小車乙之間用一根不可伸長的細線連接，在彈簧拉力的作用下兩輛小車一起開始運動利用兩個傳感器可以采集記錄同一時刻小車乙受到的拉力和加速度的大?。?1)下列關于實驗裝置和操作的說法中正確的是________．A．軌道傾斜是為了平衡小車甲受到的摩擦力B．軌道傾斜是為了平衡小車乙受到的摩擦力C．實驗中，在小車乙向下運動的過程中均可采集數據D．實驗中，只需在小車乙加速運動的過程中采集數據(2)四個實驗小組選用的小車乙(含加速度傳感器)的質量分別為m1＝kg、m2＝kg、m3＝kg和m4＝kg，他們作出的a－F圖像如圖(2)所示．(3)在驗證了a和F的關系后，為了進一步驗證a和m的關系，可直接利用圖(2)的四條圖線收集數據，然后作圖．請寫出具體的做法：①如何收集數據？________________________________________________________________________________________________________________________________；②為了更直觀地驗證a和m的關系，建立的坐標系應以________為縱軸，以________為橫軸．實驗四探究加速度與物體受力、物體質量的關系關鍵能力·精準突破例1解析：(1)若小車做勻速直線運動，此時打點計時器在紙帶上打出一系列點跡均勻的點．(2)如果這位同學先如(1)中的操作，已經平衡摩擦力，則剛開始a-F的圖像是一條過原點的直線，不斷往桶里加砂，砂和砂桶的質量最終達到13M，不能滿足砂和砂桶的質量遠小于小車的質量，拉力比砂和砂桶的重力小，此時圖像向下彎曲，故C正確，A、B、D錯誤(3)相鄰計數點之間還有4個點未畫出，則計數點間的時間間隔為t＝5×s＝s，D點的速度等于C、E間的平均速度，打D點的速度為vD＝xCD+xDE2t＝5.08+5.49由勻變速直線運動的推論Δx＝at2可知加速度為a＝x＝5.49-4.22+5.91-4.65+6.34-5.08×10-29×0.12(4)因為交流電的實際頻率為48Hz，則代入計算的周期150s比實際的周期148s要小，答案：(1)點跡均勻(2)C(3)(4)大于1．解析：(1)由圖乙可得遮光條的寬度為d＝(15－10×)mm＝mm小車經過光電門的速度為v＝d(2)因為拉力真實值為F真＝Ma對整體由牛頓第二定律得mg＝(m＋M)a又mg-F真F真<5%答案：(1)dΔt(22．解析：(1)實驗前需要平衡摩擦力，平衡摩擦力時，砝碼盤不需要掛上，但小車必須掛上紙帶，且紙帶穿過打點計時器，將軌道傾斜來平衡摩擦力，故A項錯誤，B項正確．若要將砝碼和砝碼盤的總重力作為小車所受合力，繩中拉力約等于砝碼和砝碼盤的總重力，需滿足砝碼和砝碼盤的總質量遠小于小車質量，故C項錯誤，D項正確．(2)兩小車同時開始運動，并同時停止，兩車運動的位移s＝12at2，則有：位移與加速度成正比；實驗測得小車Ⅱ位移近似是小車Ⅰ位移的兩倍，小車Ⅱ加速度近似是小車Ⅰ加速度的兩倍，則可得實驗結論是：在質量一定的情況下，物體的加速度與所受到的合外力成正比(3)由于實驗中將砝碼和砝碼盤的總重力作為小車所受合外力的大小，根據運動的位移公式s＝12at2，結合牛頓第二定律F＝ma，因此s1和s2的大小關系是：2s1＝s2.故A、C項錯誤，B項正確答案：(1)BD(2)正比(3)B例2解析：(1)調整長木板左端的定滑輪，使得輕繩與長木板平行，使繩的拉力沿著小車運動方向，減小誤差，A正確；在不掛砂桶的前提下，將帶滑輪的長木板右端墊高，以平衡摩擦力，減小由摩擦力產生的誤差，B正確；小車靠近打點計時器，先接通電源，打點穩(wěn)定后再釋放小車，C錯誤；只有實驗中無法直接測量繩的拉力大小時，才需要使砂和砂桶的總質量m0遠小于小車的質量M，本實驗采用力傳感器直接測量繩的拉力，不需要砂和砂桶的總質量m0遠小于小車的質量M，D錯誤．(2)設題圖丙中x1＝cm，x2＝cm，x3＝cm，x4＝cm，x5＝cm，x6＝cm，T＝s，由逐差法可得a＝x4+x5+(3)由實驗結論可知2F＝Ma，解得a＝2FM，a-F圖像的斜率為k＝2M，所以M＝2k，由于不知道橫、縱坐標的標度是否相同