創(chuàng)新設計2017年高考物理專用一輪復習課件習題質量檢測第3運動定律實驗三

實驗三 探究加速度與物體質量、物體受力的關系注意事項實驗方法：控制變量法。平衡摩擦力：在平衡摩擦力時，不要懸掛小盤，但小車應連著紙帶且接通電源。用手給小車一個初速度，如果在紙帶上打出的點的間隔是均勻的，表明小車受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡。實驗條件：只有滿足M m，小盤和砝碼的總重力才可視為小車 受到的拉力。一先一后一按?。焊淖兝托≤囐|量后，每次開始時小車應盡量靠近打點計時器，并應先接通電源，后放開小車，且應在小車到達滑輪前按住小車。作圖：作圖時兩軸標度比例要適當，各量須采用國際單位，這 樣作圖線時，坐標點間距不至于過密，誤差會小些。誤差分析因實驗原理不完善引起的誤差：本實驗用小盤和砝碼的總重 力mg代替小車的拉力，而實際上小車所受的拉力要小于小盤和砝碼的總重力。摩擦力平衡不準確、質量測量不準確、計數(shù)點間距測量不準 確、紙帶和細繩不嚴格與木板平行都會引起誤差。熱點一

實驗原理與基本操作【例1】

在“探究加速度和力、質量的關系”實驗中，采用如圖1所示的裝置圖進行實驗：圖1(1)實驗中，需要在木板的右端墊上一個小木塊，其目的是

。(2)實驗中，已經測出小車的質量為

M，砝碼(包括砝碼盤)的總質量為

m，若要將砝碼(包括砝碼盤)的總重力大小作為小車所受拉力

F

的大小，這樣做的前提條件是

。

(3)在實驗操作中，下列說法正確的是

(填序號)。A.求小車運動的加速度時，可用天平測出小盤和砝碼的質量M′和m′，以及小車質量M，直接用公式a＝M′＋m′Mg

求出B.實驗時，應先接通打點計時器的電源，再放開小車C.每改變一次小車的質量，都需要改變墊入的小木塊的厚度D.先保持小車質量不變，研究加速度與力的關系；再保持小車受力不變，研究加速度與質量的關系，最后歸納出加速度與力、質量的關系解析

(1)本實驗木板表面不可能光滑，摩擦力會影響實驗結果，所以要平衡摩擦力。M＋m(2)根據(jù)牛頓第二定律得，mg＝(M＋m)a，解得

a＝

mg

，則繩M＋m1＋mM子的拉力

F＝Ma＝

Mmg

＝

mg

，可知當砝碼(包括砝碼盤)的總質量遠小于小車質量時，小車所受的拉力等于砝碼(包括砝碼盤)的總重力，所以應滿足的條件是砝碼(包括砝碼盤)的總質量遠小于小車的質量。(3)本實驗的目的是：探究加速度和力、質量的關系，所以不能把牛頓第二定律當成已知的公式來使用，故A錯誤；使用打點計時器時，都應該先接通電源，后釋放紙帶，故B正確；平衡摩擦力后μ＝tanθ，與重物的質量無關，所以不用再次平衡摩擦力，故C錯誤；本實驗采用控制變量法，故D正確。答案

(1)平衡摩擦力

(2)m

M

(3)BD【變式訓練】1.在“探究加速度與力、質量的關系”時采用如圖2所示的實驗裝置，小車及車中砝碼質量為M，砂桶及砂的質量為m。圖2(1)若已平衡摩擦力，在小車做勻加速直線運動過程中，繩的張力大小FT＝

，當M與m的大小滿足

時，才可認為繩子對小車的拉力大小等于砂和砂桶的重力。(2)某同學在保持砂和砂桶質量m

一定的條件下，探究小車加速度

a

與質量

M

的關系，其具體操作步驟如下，則做法合理的有(

)平衡摩擦力時，砂桶應用細線通過定滑輪系在小車上且小車后面的紙帶也必須連好每次改變小車質量M

時，都需要重新平衡摩擦力實驗時，先接通計時器的電源，再放開小車MD.用天平測出m

及M，直接用公式a＝mg求出小車運動的加速度解析

(1)由牛頓第二定律知：對小車有

FT＝Ma，對砂和砂桶有T

TM＋m

1＋m/Mmg－F

＝ma，所以

F

＝

Mmg

＝

mg

，可見當

M

m

時，F(xiàn)T≈mg。(2)平衡摩擦力時，應在不掛砂桶的情況下讓小車帶著紙帶勻速下滑來平衡摩擦力，A

錯誤；每次改變小車質量M

時，不需要重新平衡摩擦力，B

錯誤；實驗時，先接通計時器的電源，再放開小車，C

正確；小車運動的加速度必須由紙帶上的測量數(shù)據(jù)計算得到，D

錯誤。答案

(1)mg1＋m/MM

m

(2)C熱點二

數(shù)據(jù)處理及誤差分析【例2】

一小組的同學用如圖3所示裝置做“探究物體質量一定時，加速度與力的關系”的實驗。圖3(1)下列說法正確的有

。A.平衡摩擦力時，用細線一端掛空砝碼盤，另一端與小車相連，將木板適當傾斜，使小車在木板上近似做勻速直線運動B.每次改變砝碼及砝碼盤總質量之后，應重新平衡摩擦力

C.應讓砝碼及砝碼盤總質量遠大于小車及里面鉤碼的總質量D.砝碼及砝碼盤總質量遠小于小車及里面鉤碼總質量時，可以近似認為小車受到的拉力等于砝碼及砝碼盤的重力(2)圖4甲為實驗中按規(guī)范操作打出的一條紙帶的一部分。從比較清晰的點跡起，在紙帶上標出了連續(xù)的5個計數(shù)點A、B、C、D、

E，相鄰兩計數(shù)點之間都有4個計時點沒有標出，用刻度尺分別測量出A點到B、C、D、E的距離如圖4所示，已知打點計時器接

在頻率為50

Hz的交流電源上，則此次實驗中小車運動加速度的

測量值a＝

m/s2。(結果保留兩位有效數(shù)字)圖4(3)某同學平衡摩擦力后，改變砝碼盤中砝碼的質量，分別測量出小車的加速度a。以砝碼盤及砝碼的重力F為橫坐標，以小車的加速度a為縱坐標，得到如圖乙所示的a－F圖線，則圖線不通過坐標原點的主要原因是

。解析

(1)平衡摩擦力時，應將細線從小車上取下，輕輕推動小車，使小車沿木板運動，通過打點計時器打出來的紙帶判斷小車是否勻速運動，A錯誤；每次改變砝碼及砝碼盤總質量之后，不需要

重新平衡摩擦力，B錯誤；應讓砝碼及砝碼盤總質量遠小于小車及里面鉤碼的總質量，C錯誤；砝碼及砝碼盤總質量遠小于小車及里面鉤碼的總質量時，可以近似認為小車受到的拉力等于砝碼及砝碼盤的重力，D正確。CE－AC

0.229

0－0.090

2－0.090

2a＝

＝

m/s2＝1.2

m/s2。（2T）2

（2×0.1）2當F＝0時，a≠0，也就是說當細線上沒有拉力時，小車就有加速度，這是平衡摩擦力時木板傾角θ偏大，即平衡摩擦力過度引起的。答案

(1)D

(2)1.2

(3)平衡摩擦力過度【變式訓練】2.如圖5所示為某同學探究加速度與力和質量關系的實驗裝置，兩個相同質量的小車放在光滑水平板上，前端各系一條細繩，繩的一端跨過定滑輪各掛一個小盤，盤中可放砝碼。兩小車后端各系一條細繩，一起被夾子夾著使小車靜止。打開夾子，兩小車同時開始運動；關上夾子，兩小車同時停下來，用刻度尺測出兩小車的位移，下表是該同學在幾次實驗中記錄的數(shù)據(jù)。圖5實驗次數(shù)車號小車質量(g)小盤質量(g)車中砝碼質量(g)盤中砝碼質量(g)小車位移(cm)1甲50100015乙5010010302甲501001027.5乙50105010143甲50100018乙50101010請回答下述問題：(1)在每一次實驗中，甲、乙兩車的位移之比等于

之比，請簡要說明實驗原理：

；第一次實驗控制了

不變，在實驗誤差允許范圍內可得出的結論是

；第二次實驗控制了

不變，在實驗誤差允許范圍內可得出的結論是

；

(4)第三次實驗時，該同學先測量了甲車的位移，再根據(jù)前兩次實驗結論，計算出乙車應該發(fā)生的位移，然后再測量了乙車的位移，結果他高興地發(fā)現(xiàn)，理論的預言與實際符合得相當好。請問，他計算出的乙車的位移應該是

。解析

(1)由于兩車運動時間相同，由

x＝1

，知甲、乙兩車的2at2位移之比等于加速度之比，即x

甲∶x

乙＝a

甲∶a

乙。第一次實驗中控制小車質量不變，在實驗誤差允許范圍內，小車加速度與拉力成正比。第二次實驗中控制小車所受拉力不變，在實驗誤差允許范圍內小車加速度與質量成反比。(4)＝a甲

F甲/m甲a乙

F乙/m乙3＝5，x甲

a甲x乙

a乙3＝

＝5，得x

乙＝30

cm。(2)小車質量；小車加速度與拉力成答案

(1)加速度；見解析正比(3)小車所受拉力；小車加速度與質量成反比

(4)30

cm熱點三

實驗的改進與創(chuàng)新以本實驗為背景，通過改變實驗條件、實驗儀器設置題目，不脫離教材而又不拘泥教材，體現(xiàn)開放性、探究性、設計性等特點。視角1

實驗器材的改進――→視角2

數(shù)據(jù)測量的改進視角3

實驗的拓展延伸以“驗證牛頓運動定律”為背景測量物塊與木板間的動摩擦因數(shù)?！纠?】

（2014·新課標全國卷Ⅰ）某同學利用圖6甲所示實驗裝

置及數(shù)字化信息系統(tǒng)獲得了小車加速度a與鉤碼的質量m的對應

關系圖，如圖乙所示。實驗中小車（含發(fā)射器）的質量為200

g，實驗時選擇了不可伸長的輕質細繩和輕定滑輪，小車的加速度

由位移傳感器及與之相連的計算機得到?；卮鹣铝袉栴}：圖6根據(jù)該同學的結果，小車的加速度與鉤碼的質量成(填“線性”或“非線性”)關系。由圖乙可知，

a

－

m

圖線不經過原點，

可能的原因是

。若利用本實驗裝置來驗證“在小車質量不變的情況下，小車的加速度與作用力成正比”的結論，并直接以鉤碼所受重力mg作為小車受到的合外力，則實驗中應采取的改進措施是

，鉤碼的質量應滿足的條件是

。解析

(1)把圖乙中的點用平滑線連接后，可以看出，a－m圖線是曲線即非線性。(2)由圖象可知，小車受到鉤碼的拉力作用，但加速度仍為零，可能的原因是小車還受到摩擦力的作用。(3)改進措施：第一圖線不過原點，要平衡摩擦力，所以調整軌道的傾斜度；第二，要使小車受到合外力等于鉤碼的重力，要求鉤碼質量不能太大，即遠小于小車的質量。答案(1)非線性(2)存在摩擦力(3)調整軌道傾斜度以平衡摩擦力遠小于小車質量【變式訓練】3.圖7為測量物塊與水平桌面之間動摩擦因數(shù)的實驗裝置示意圖。實驗步驟如下：圖7①用天平測量物塊和遮光片的總質量M，重物的質量m，用游標卡尺測量遮光片的寬度d，用米尺測量兩光電門之間的距離x；②調整輕滑輪，使細線水平；③讓物塊從光電門A

的左側由靜止釋放，用數(shù)字毫秒計分別測出遮光片經過光電門A

和光電門B

所用的時間ΔtA

和ΔtB，求出加速度a；—④多次重復步驟③，求a

的平均值a；⑤根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)求出動摩擦因數(shù)μ?；卮鹣铝袉栴}：(1)

測量

d時，某次游標卡尺(主尺的最小分度為

1mm)的示數(shù)如圖

8

所示。其讀數(shù)為

cm。圖8(2)物塊的加速度

a

可用

d、x、ΔtA和

ΔtB表示為

a＝

?！獎幽Σ烈驍?shù)

μ

可用

M、m、a和重力加速度

g

表示為

μ＝

。如果細線沒有調整到水平，由此引起的誤差屬于(填“偶然誤差”或“系統(tǒng)誤差”)。解析

(1)d＝0.9

cm＋12×0.05

mm＝0.960

cmA(2)因為

v

＝Bd

dΔtA

ΔtBB2

2A，v

＝

，又由

2ax＝v

－v

，得

a＝

1[(

d

)2－(

d

)2]2x

ΔtB

ΔtA－

－兩式聯(lián)立得μ＝(3)設細線上的拉力為FT，則mg－FT＝ma，F(xiàn)T－μMg＝Ma—mg－（M＋m）a

Mg(4)細線沒有調整到水平，屬于實驗方法粗略，這樣會引起系統(tǒng)誤差。BA1

d

2

d

2答案

(1)0.960

(2)2x[(Δt

)

－(Δt

)

](3)mg－（M＋m）a—Mg(4)系統(tǒng)誤差1.(2016·江西重點中學聯(lián)考)(1)我們已經知道，物體的加速度a同時跟合外力F和質量M兩個因素有關。要研究這三個物理量之間的定量關系，需采用的思想方法是

。圖9(2)某同學的實驗方案如圖9所示，她想用砂桶的重力表示小車受到的合外力F，為了減少這種做法帶來的實驗誤差，她先做了兩方面的調整措施：①用小木塊將長木板無滑輪的一端墊高，目的是

。②使砂桶的質量遠小于小車的質量，目的是使拉小車的力近似等于

。(3)該同學利用實驗中打出的紙帶求加速度時，處理方案有兩種：t2A.利用公式a＝2x計算ΔxB.根據(jù)逐差法利用a＝

T2

計算兩種方案中，選擇方案

比較合理。解析

(1)實驗研究這三個物理量之間關系的思想方法是控制變量法。用小木塊將長木板無滑輪的一端墊高，目的是平衡摩擦力，只有在滿足砂桶的質量遠小于小車的質量時，拉力才可近似等于砂桶的重力。計算加速度時，用逐差法誤差較小。答案

(1)控制變量法

(2)平衡摩擦力

砂桶的重力

(3)B某實驗小組在實驗室探究加速度與力、質量的關系。甲同學在小車所受合外力不變時，改變小車的質量，得到數(shù)據(jù)如下表所示：實驗次數(shù)小車質量m/kg小車加速度a/(m·s－2)小車質量的倒數(shù)1

/kg－1m10.200.785.0020.400.382.5030.600.251.6740.800.201.2551.000.161.00圖10a.根據(jù)表中數(shù)據(jù)，在圖10

甲所示的坐標系中描出相應的實驗數(shù)

1據(jù)點，并作出a－m圖象。

1b.由a－m圖象，可得出的結論為

。c.小車受到的合外力大約為

。(結果保留兩位有效數(shù)字)(2)乙同學在保持小車質量不變的情況下，通過多次改變對小車的拉力，由實驗數(shù)據(jù)作出

a－F

圖象如圖乙所示，圖線不過原點的原因是

，小車的質量為

kg。解析

(1)c.由牛頓第二定律

F＝ma

得，a＝F，即圖線的斜率等m0.78－0.20于小車所受的合外力，大小為

F＝5.00－1.25

N≈0.15

N。(2)由圖乙可知拉力等于零時，小車加速度不等于零，故木板傾m角過大；由牛頓第二定律F＝ma

得a＝F·1

，即圖線的斜率等于2.2－0.2小車質量的倒數(shù)，小車質量大小為

m＝

4

kg＝2

kg。

1答案

(1)a.a－m圖象如圖所示

b.在物體所受合外力不變時，物體的加速度與質量成反比

c.0.15

N(2)木板傾角過大

23.某同學利用如圖11甲所示的裝置探究“小車的加速度與所受合外力的關系”，具體實驗步驟如下：圖11按照圖示安裝好實驗裝置，掛上砂桶(含少量砂子)；調節(jié)長木板的傾角，輕推小車后，使小車沿長木板向下運動，且通過兩個光電門的時間相等；取下細繩和砂桶，測量砂子和桶的總質量m，并記下；保持長木板的傾角不變，不掛砂桶，將小車置于靠近滑輪的位置，由靜止釋放小車，記錄小車先后通過光電門甲和乙時顯示的時間；重新掛上細繩和砂桶，改變砂桶中砂子的質量，重復B、C、D步驟。若砂桶和砂子的總質量為m，小車的質量為M，重力加速度為g，則步驟D中小車加速下滑時所受合力大小為