新高考物理一輪復(fù)習實驗重難點專題實驗04 探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系（含解析）

實驗04探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系1.理解實驗的原理，明確實驗過程并能進行數(shù)據(jù)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．1．實驗原理(1)保持質(zhì)量不變，探究加速度跟合外力的關(guān)系．(2)保持合外力不變，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系．(3)作出a－F圖像和a－eq\f(1,m)圖像，確定a與F、m的關(guān)系．2．實驗器材小車、槽碼、細繩、一端附有定滑輪的長木板、墊木、打點計時器、學生電源、導(dǎo)線、紙帶、天平、刻度尺、坐標紙．3．實驗過程(1)測量：用天平測量槽碼的質(zhì)量m′和小車的質(zhì)量m.(2)安裝：按照如圖所示裝置把實驗器材安裝好，只是不把懸掛槽碼的細繩系在小車上(即不給小車牽引力)．(3)補償阻力：在長木板不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，使小車能勻速下滑．(4)操作：①槽碼通過細繩繞過定滑輪系于小車上，先接通電源后放開小車，斷開電源，取下紙帶，編號碼．②保持小車的質(zhì)量m不變，改變槽碼的質(zhì)量m′，重復(fù)步驟①.③在每條紙帶上選取一段比較理想的部分，計算加速度a.④描點作圖，作a－F的圖像．⑤保持槽碼的質(zhì)量m′不變，改變小車質(zhì)量m，重復(fù)步驟①和③，作a－eq\f(1,m)圖像．4．數(shù)據(jù)處理(1)利用逐差法或v－t圖像法求a.(2)以a為縱坐標，F(xiàn)為橫坐標，描點、畫線，如果該線為過原點的直線，說明a與F成正比．(3)以a為縱坐標，eq\f(1,m)為橫坐標，描點、畫線，如果該線為過原點的直線，就能判定a與m成反比．5．注意事項(1)開始實驗前首先補償阻力：適當墊高木板不帶定滑輪的一端，使小車的重力沿斜面方向的分力正好補償小車和紙帶受到的阻力．在補償阻力時，不要把懸掛槽碼的細繩系在小車上，讓小車拉著穿過打點計時器的紙帶勻速運動．(2)實驗過程中不用重復(fù)補償阻力．(3)實驗必須保證的條件：m?m′.(4)一先一后一按：改變拉力或小車質(zhì)量后，每次開始時小車應(yīng)盡量靠近打點計時器，并應(yīng)先接通電源，后釋放小車，且應(yīng)在小車到達滑輪前按住小車．6．誤差分析(1)實驗原理不完善：本實驗用槽碼的總重力m′g代替小車的拉力，而實際上小車所受的拉力要小于槽碼的總重力．(2)補償阻力不準確、質(zhì)量測量不準確、計數(shù)點間距離測量不準確、紙帶和細繩不嚴格與木板平行都會引起誤差．【典例1】（2022·全國·高三課時練習）某實驗小組采用如圖甲所示的實驗裝置，研究小車質(zhì)量不變時，其加速度a與所受合力F的關(guān)系。（1）在補償阻力這步操作中，______（選填“需要”或“不需要”）通過細繩把砂桶掛在小車上；（2）實驗中得到的一條紙帶如圖乙所示，相鄰的兩計數(shù)點之間還有4個點未畫出，用毫米刻度尺測量出來的數(shù)據(jù)已在圖中標出。已知打點計時器的打點周期為0.02s，則該小車運動的加速度大小為________m/s2（計算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）；（3）該實驗小組把砂和砂桶的總重力當成小車的合力F，根據(jù)實驗得出的數(shù)據(jù)，采用圖像法處理數(shù)據(jù)，畫出a-F圖像如圖丙所示，發(fā)現(xiàn)圖線上端彎曲，其原因可能是_______________；（4）關(guān)于本實驗存在的誤差，以下說法正確的是________。A．在圖乙中，每個測量數(shù)據(jù)均存在偶然誤差B．把砂和砂桶的總重力當成小車的合力導(dǎo)致實驗中存在系統(tǒng)誤差C．實驗中用圖像法處理數(shù)據(jù)可以減小系統(tǒng)誤差【答案】

不需要

0.39

小車質(zhì)量沒有遠遠大于砂和砂桶的總質(zhì)量

AB##BA【解析】（1）[1]本實驗中小車所受阻力是通過小車重力沿木板向下的分力進行補償?shù)?，在補償阻力這步操作中，不需要通過細繩把砂桶掛在小車上。（2）[2]由題意可知相鄰計數(shù)點間的時間間隔為SKIPIF1<0根據(jù)逐差法可得該小車運動的加速度大小為a＝SKIPIF1<0＝SKIPIF1<0m/s2≈0.39m/s2（3）[3]該實驗小組把砂和砂桶的總重力mg當成小車的合力F，設(shè)小車質(zhì)量為M，對小車根據(jù)牛頓第二定律有SKIPIF1<0對砂和砂桶同理有SKIPIF1<0聯(lián)立解得SKIPIF1<0由上式可知只有當SKIPIF1<0時才有SKIPIF1<0隨著F（即mg）的增大，m將逐漸不滿足SKIPIF1<0，使得a-F圖像的斜率開始偏離SKIPIF1<0，逐漸變?yōu)镾KIPIF1<0，造成斜率減小，從而使圖像向下彎曲。所以圖線上端彎曲，其原因可能是小車質(zhì)量沒有遠遠大于砂和砂桶的總質(zhì)量。（4）[4]A．偶然誤差源于測量時的偶然因素，每次測量時都會存在，所以在題圖乙中，每個測量數(shù)據(jù)均存在偶然誤差，選項A正確；B．根據(jù)（3）題分析可知，把砂和砂桶的總重力當成小車的合力導(dǎo)致實驗中存在誤差，屬于實驗原理不完善造成的誤差，即系統(tǒng)誤差，選項B正確；C．實驗中用圖像法處理數(shù)據(jù)可以減小偶然誤差，系統(tǒng)誤差無法通過多次測量取平均值或圖像法來減小，選項C錯誤。故選AB?！镜淅?】（2022·上海黃浦·二模）某同學用如圖a所示的裝置驗證加速度與力的關(guān)系。（1）為平衡摩擦力，將軌道一端略抬高，給小車一初速度使其在軌道上運動，利用位移傳感器獲得小車的速度-時間圖像如圖b，則應(yīng)適當___________（選填“增大”“減小”）軌道傾角。平衡摩擦后，操作中要控制___________（選填“小車”“鉤碼”）的質(zhì)量不變。（2）經(jīng)過正確操作，所測量的拉力與加速度的數(shù)據(jù)如下表。請在圖c。中用“×”補充完成序號為4、5的數(shù)據(jù)描點并做出a-F圖像。___________序號F/Na/m·s-210.140.3920.190.5330.240.6740.250.8050.340.94（3）某同學對“將鉤碼的重力大小視為小車所受拉力的大小”的做法提出質(zhì)疑，并開展了如下研究：他在小車上固定一個力傳感器，可直接測得小車所受拉力。測得小車與傳感器總質(zhì)量為0.486kg，改變鉤碼質(zhì)量，多次實驗，測得多組鉤碼重力與小車所受拉力，圖d。中的圖線①、②分別為鉤碼重力、小車所受拉力隨鉤碼質(zhì)量變化的關(guān)系圖像。請根據(jù)圖像，針對該同學的質(zhì)疑給出回答。___________【答案】

減小

小車

當鉤碼質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量時，鉤碼的重力大小可近似視為小車所受的拉力大小【解析】（1）[1]圖b可知小車獲得一初速度后做勻加速運動，說明重力沿斜面向下的分力大于摩擦力，應(yīng)適當減小軌道傾角。[2]該實驗要驗證加速度與力的關(guān)系，平衡摩擦后，操作中要控制小車的質(zhì)量不變。（2）[3]（3）[4]由圖像d可知，當鉤碼質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量時，鉤碼的重力大小可近似視為小車所受的拉力大小?！镜淅?】（2022·天津市西青區(qū)楊柳青第一中學模擬預(yù)測）在“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”實驗中，做如下探究：（1）為猜想加速度與質(zhì)量的關(guān)系，可利用圖1所示裝置進行對比實驗。兩小車放在水平板上，前端通過鉤碼牽引，后端各系一條細線，用板擦把兩條細線按在桌上，使小車靜止。抬起板擦，小車同時運動，一段時間后按下板擦，小車同時停下。對比兩小車的位移，可知加速度與質(zhì)量大致成反比。關(guān)于實驗條件，下列正確的是：______（選填選項前的字母）。A．小車質(zhì)量相同，鉤碼質(zhì)量不同B．小車質(zhì)量不同，鉤碼質(zhì)量相同C．小車質(zhì)量不同，鉤碼質(zhì)量不同（2）在探究加速度與力的關(guān)系實驗之前，需要思考如何測“力”。為了簡化“力”的測量，如圖2所示，下列說法正確的是：______（選填選項前的字母）。A．使小車沿傾角合適的斜面運動，小車受力可等效為只受繩的拉力B．若斜面傾角過大，小車所受合力將小于繩的拉力C．無論小車運動的加速度多大，砂和桶的重力都等于繩的拉力D．讓小車的運動趨近于勻速運動，砂和桶的重力才近似等于繩的拉力【答案】

B

AD【解析】（1）[1]探究加速度與質(zhì)量關(guān)系，需要保持兩小車所受合外力相同，所以牽引小車的鉤碼相同，小車質(zhì)量不同，故AC錯誤，B正確。故選B。（2）[2]A．小車受到重力，桌面支持力，輕繩拉力和桌面的摩擦力。若小車沿傾角合適的斜面做勻速運動，使得小車重力沿斜面向下的分力與摩擦力平衡，小車所受合力可等效為只受輕繩的拉力，故A正確；B．若斜面傾角過大，使得小車重力沿斜面向下的分力大于摩擦力，則小車所受合力大于輕繩的拉力，故B錯誤；CD．只有小車的加速度足夠小時，即趨近于勻速運動時，砂和砂桶的重力才近似等于繩的拉力，故C錯誤，D正確。故選AD?！镜淅?】（2022·全國·高三專題練習）用如圖甲所示的裝置探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，把右端帶有滑輪的長木板放在實驗桌上，小車的左端連接穿過打點計時器的紙帶，右端連接細線，細線繞過定滑輪掛有托盤和砝碼，通過墊塊調(diào)節(jié)木板左端高度平衡摩擦力。（1）下列實驗操作正確的有___________。A．先釋放小車后接通電源

B．調(diào)整定滑輪使細線與長木板平行C．平衡摩擦力時必須移去紙帶

D．平衡摩擦力時必須移去托盤和砝碼（2）某次實驗打出的一條紙帶如圖乙所示，測得計數(shù)點1、2、3、4與0計數(shù)點間的距離分別為x1=3.60cm、x2=9.61cm、x3=18.01cm、x4=28.81cm。已知打點計時器打點周期為0.02s，相鄰計數(shù)點間有四個點未畫出，則小車的加速度a=___________m/s2（結(jié)果保留三位有效數(shù)字）。（3）實驗中保持托盤和砝碼的總質(zhì)量不變，改變小車和車內(nèi)沙子的總質(zhì)量M，進行實驗打出紙帶，算出相應(yīng)的加速度a，數(shù)據(jù)描在圖丙中，請在圖丙中根據(jù)描出的點作出a-SKIPIF1<0圖像___________；由圖像可得出的結(jié)論是___________。【答案】

BD

2.40

在托盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于小車和車內(nèi)沙子的總質(zhì)量M的情況下，合力一定時，小車和車內(nèi)沙子的加速度a與質(zhì)量M成反比【解析】（1）[1]A．應(yīng)先接通電源再釋放小車，A錯誤；B．調(diào)整定滑輪使細線與長木板平行，以保證小車在運動過程中合力不變，B正確；C．平衡摩擦力時必須連接紙帶，C錯誤；D．平衡摩擦力時必須移去托盤和砝碼，用小車重力分力來平衡摩擦力，D正確。故選BD。（2）[2]小車的加速度a=SKIPIF1<0=2.40m/s2（3）[3]將圖中各點用平滑曲線連接，如答案圖所示。[4]由圖像可以看出，在托盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于小車和車內(nèi)沙子的總質(zhì)量M的情況下，合力一定時，小車和車內(nèi)沙子的加速度a與質(zhì)量M成反比?！镜淅?】（2022·全國·高三專題練習）（1）在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗中，小張同學設(shè)計了一個實驗方案，試圖通過彈簧秤讀數(shù)獲得繩子拉力的數(shù)據(jù)以減小實驗誤差，其裝置如圖甲所示。①以下的實驗操作有必要的是______（多選）A．平衡小車與軌道之間的摩擦力B．所掛重物質(zhì)量必須遠小于小車質(zhì)量C．懸掛動滑輪的兩側(cè)細線應(yīng)相互平行②某次實驗中，小車釋放后彈簧秤示數(shù)如圖乙所示，其讀數(shù)為______N，其讀數(shù)______（選填“大于”、“小于”或“等于”）小車靜止時彈簧秤的讀數(shù)。③在探究小車加速度與質(zhì)量關(guān)系時，保持懸掛重物質(zhì)量不變，通過增減小車上鉤碼數(shù)量改變小車質(zhì)量，獲得兩條紙帶的部分點跡如下圖所示，則紙帶______（選填“圖丙”或“圖丁”）對應(yīng)的小車質(zhì)量較大?！敬鸢浮?/p>

AC##CA

0.55

小于

圖丙【解析】①[1]A．“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗中需要平衡摩擦力，故A正確；B．圖中彈簧測力計可以直接測出繩子拉力，不需要所掛重物質(zhì)量必須遠小于小車質(zhì)量，故B錯誤；C．為了保證繩子拉力是小車所受合力，應(yīng)使懸掛動滑輪的兩側(cè)細線應(yīng)相互平行，故C正確；②[2][3]彈簧測力計分度值為0.2N，則其讀數(shù)為0.55N；車釋放后，重物處于失重狀態(tài)，則繩子拉力小于重物靜止時的拉力；③[4]根據(jù)牛頓第二定律SKIPIF1<0可知質(zhì)量越大加速度越小，根據(jù)SKIPIF1<0相鄰相等時間內(nèi)的位移差變小，可知圖丙符合?！镜淅?】（2022·陜西寶雞·二模）如圖甲所示是某研究性學習小組探究小車加速度與力關(guān)系的實驗裝置，長木板置于水平桌面上，一端系有沙桶的細繩通過滑輪與固定的拉力傳感器相連，拉力傳感器可顯示繩中拉力F的大小，改變桶中沙的質(zhì)量進行多次實驗。完成下列問題：（1）實驗時，下列操作或說法正確的是______。A．需要用天平測出沙和沙桶的總質(zhì)量B．為減小誤差，實驗中一定要保證沙和沙桶的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量C．選用電磁打點計時器比選用電火花計時器實驗誤差小D．小車靠近打點計時器，先接通電源，再釋放小車，打出一條紙帶，同時記錄拉力傳感器的示數(shù)（2）實驗中得到一條紙帶，相鄰計數(shù)點間有四個點未標出，各計數(shù)點到A點的距離如圖乙所示。電源的頻率為50Hz，則由紙帶可知小車的加速度大小為_______m/s2。（保留三位有效數(shù)字）（3）以拉力傳感器的示數(shù)F為橫坐標，以小車加速度a為縱坐標，畫出的a—F圖像可能正確的是_______。A．B．C．D．【答案】

D

1.48

A【解析】