高中物理課件第三章牛頓運(yùn)動(dòng)定律實(shí)驗(yàn)四

實(shí)驗(yàn)四探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系第三章

牛頓運(yùn)動(dòng)定律內(nèi)容索引過好雙基關(guān)回扣基礎(chǔ)知識(shí)訓(xùn)練基礎(chǔ)題目研透命題點(diǎn)細(xì)研考綱和真題分析突破命題點(diǎn)過好雙基關(guān)1.實(shí)驗(yàn)原理(1)保持質(zhì)量不變，探究加速度跟

的關(guān)系.(2)保持合外力不變，探究加速度與

的關(guān)系.(3)作出a－F圖象和a－

圖象，確定其關(guān)系.2.實(shí)驗(yàn)器材小車、砝碼、小盤、細(xì)繩、一端附有定滑輪的長木板、墊木、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、

、導(dǎo)線兩根、紙帶、天平、米尺.基本實(shí)驗(yàn)要求合外力質(zhì)量低壓交流電源3.實(shí)驗(yàn)步驟(1)測(cè)量：用天平測(cè)量小盤和砝碼的質(zhì)量m′和小車的質(zhì)量m.(2)安裝：按照如圖1所示裝置把實(shí)驗(yàn)器材安裝好，只是不把懸掛小盤的細(xì)繩系在小車上(即不給小車

).圖1牽引力(3)平衡摩擦力：在長木板的不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，使小車能

下滑.(4)操作：①小盤通過細(xì)繩繞過定滑輪系于小車上，先

后

，斷開電源，取下紙帶編號(hào)碼.②保持小車的質(zhì)量m不變，改變小盤和砝碼的質(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，測(cè)加速度a.④描點(diǎn)作圖，作a－F的圖象.⑤保持小盤和砝碼的質(zhì)量m′不變，改變小車質(zhì)量m，重復(fù)步驟①和③，作a－

圖象.勻速接通電源放開小車1.注意事項(xiàng)(1)平衡摩擦力：適當(dāng)墊高木板的右端，使小車的重力沿斜面方向的分力正好平衡

.在平衡摩擦力時(shí)，不要把懸掛小盤的細(xì)繩系在小車上，讓小車?yán)┻^打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶勻速運(yùn)動(dòng).(2)不重復(fù)平衡摩擦力.(3)實(shí)驗(yàn)條件：

.(4)一先一后一按：改變拉力或小車質(zhì)量后，每次開始時(shí)小車應(yīng)盡量靠近___________，并應(yīng)先接通電源，后釋放小車，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車.規(guī)律方法總結(jié)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器小車和紙帶受到的阻力m?m′2.誤差分析(1)實(shí)驗(yàn)原理不完善：本實(shí)驗(yàn)用小盤和砝碼的總重力m′g代替小車的拉力，而實(shí)際上小車所受的拉力要小于小盤和砝碼的總重力.(2)摩擦力平衡不準(zhǔn)確、質(zhì)量測(cè)量不準(zhǔn)確、計(jì)數(shù)點(diǎn)間距測(cè)量不準(zhǔn)確、紙帶和細(xì)繩不嚴(yán)格與木板平行都會(huì)引起誤差.3.數(shù)據(jù)處理(1)利用Δx＝aT2及逐差法求a.(2)以a為縱坐標(biāo)，F(xiàn)為橫坐標(biāo)，根據(jù)各組數(shù)據(jù)描點(diǎn)，如果這些點(diǎn)在一條過原點(diǎn)的直線上，說明a與F成正比.(3)以a為縱坐標(biāo)，

為橫坐標(biāo)，描點(diǎn)、連線，如果該線為過原點(diǎn)的直線，就能判定a與m成反比.研透命題點(diǎn)例1某次探究加速度a跟物體所受合力F和質(zhì)量m的關(guān)系實(shí)驗(yàn).圖2(1)圖2甲所示為實(shí)驗(yàn)裝置圖.圖乙為某次實(shí)驗(yàn)得到的一段紙帶，計(jì)數(shù)點(diǎn)A、B、C、D、E間的時(shí)間間隔為0.1s.根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為_____m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字).命題點(diǎn)一教材原型實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)考點(diǎn)自主悟透0.43答案(2)保持小車質(zhì)量不變，改變砂和砂桶質(zhì)量，進(jìn)行多次測(cè)量.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a隨拉力F的變化圖線，如圖3所示.圖中直線沒有通過原點(diǎn)，其主要原因是______________________________________.圖3實(shí)驗(yàn)前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分)答案(3)保持砂和砂桶質(zhì)量不變，改變小車中砝碼質(zhì)量，進(jìn)行多次測(cè)量，得到小車加速度a、質(zhì)量m及其對(duì)應(yīng)的

的數(shù)據(jù)如表中所示：答案如圖所示實(shí)驗(yàn)次數(shù)12345678小車加速度a/(m·s－2)1.901.721.491.251.000.750.500.30小車和砝碼質(zhì)量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.67/kg－14.003.453.032.502.001.411.000.60a.請(qǐng)?jiān)趫D4坐標(biāo)紙中畫出a－

圖線.b.根據(jù)作出的a－

圖象可以得到的結(jié)論是____________________________________________________________.圖4圖線為過原點(diǎn)的直線，表明在合外力一定時(shí)，加速度跟質(zhì)量成反比答案變式1

(1)我們已經(jīng)知道，物體的加速度a同時(shí)跟合外力F和質(zhì)量M兩個(gè)因素有關(guān).要研究這三個(gè)物理量之間的定量關(guān)系，需采用的思想方法是_____________.(2)某同學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案如圖5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(shí)驗(yàn)誤差，她先做了兩方面的調(diào)整措施：a.用小木塊將長木板無滑輪的一端墊高，目的是___________.b.使砂桶的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，目的是使拉小車的力近似等于__________.控制平衡摩擦力砂桶的重力圖5變量法答案(3)該同學(xué)利用實(shí)驗(yàn)中打出的紙帶求加速度時(shí)，處理方案有兩種：√答案兩種方案中，選擇方案_____比較合理.變式2為了“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”，現(xiàn)提供如圖6所示的實(shí)驗(yàn)裝置：(1)以下實(shí)驗(yàn)操作正確的是____.A.將木板不帶滑輪的一端適當(dāng)墊高，

使小車在砝碼及砝碼盤的牽引下恰

好做勻速運(yùn)動(dòng)B.調(diào)節(jié)滑輪的高度，使細(xì)線與木板平行C.先接通電源后釋放小車D.實(shí)驗(yàn)中小車的加速度越大越好√圖6√答案解析解析將不帶滑輪的木板一端適當(dāng)墊高，在不掛鉤碼的情況下使小車恰好做勻速運(yùn)動(dòng)，以使小車的重力沿斜面的分力和摩擦力抵消，那么小車的合力就是細(xì)線的拉力，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤；細(xì)線的拉力為小車的合力，所以應(yīng)調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細(xì)線與木板平行，故B正確；實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先接通電源后由靜止釋放小車，故選項(xiàng)C正確；實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了減小實(shí)驗(yàn)的誤差，小車的加速度應(yīng)適當(dāng)大一些，但不是越大越好.故D錯(cuò)誤.(2)在實(shí)驗(yàn)中，得到一條如圖7所示的紙帶，已知相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為T＝0.1s，且間距x1、x2、x3、x4、x5、x6已量出分別為3.09cm、3.43cm、3.77cm、4.10cm、4.44cm、4.77cm，則小車的加速度a＝______m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)圖70.34答案解析(3)有一組同學(xué)保持小車及車中的砝碼質(zhì)量一定，探究加速度a與所受外力F的關(guān)系，他們?cè)谲壍浪郊皟A斜兩種情況下分別做了實(shí)驗(yàn)，得到了兩條a－F圖線，如圖8所示.圖線____是在軌道傾斜情況下得到的(填“①”或“②”)；小車及車中砝碼的總質(zhì)量m＝____kg.①0.5解析由圖線①可知，當(dāng)F＝0時(shí)，a≠0，也就是說當(dāng)細(xì)線上沒有拉力時(shí)小車就有加速度，所以圖線①是在軌道傾斜情況下得到的，根據(jù)F＝ma得a－F圖象的斜率k＝

，由a－F圖象得圖象斜率k＝2，所以m＝0.5kg.圖8答案解析命題點(diǎn)二教材實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新能力考點(diǎn)師生共研實(shí)驗(yàn)裝置圖創(chuàng)新/改進(jìn)點(diǎn)1.實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)：系統(tǒng)總質(zhì)量不變化，改變拉力得到若干組數(shù)據(jù).2.用傳感器記錄小車的時(shí)間t與位移x，直接繪制x－t圖象.3.利用牛頓第二定律求解實(shí)驗(yàn)中的某些參量，確定某些規(guī)律.1.用傳感器與計(jì)算機(jī)相連，直接得出小車的加速度.2.圖象法處理數(shù)據(jù)時(shí)，用鉤碼的質(zhì)量m代替合力F，即用a－m圖象代替a－F圖象.1.用光電門代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，遮光條結(jié)合光電門測(cè)得物塊的初速度和末速度，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出加速度.2.結(jié)合牛頓第二定律，該裝置可以測(cè)出動(dòng)摩擦因數(shù)實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)：彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量小車所受的拉力，鉤碼的質(zhì)量不需要遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，更無需測(cè)鉤碼的質(zhì)量1.氣墊導(dǎo)軌代替長木板，無需平衡摩擦力.2.力傳感器測(cè)量滑塊所受的拉力，鉤碼的質(zhì)量不需要遠(yuǎn)小于滑塊質(zhì)量，更無需測(cè)鉤碼的質(zhì)量.3.用光電門代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，遮光條結(jié)合光電門測(cè)得滑塊的末速度，由刻度尺讀出遮光條中心初始位置與光電門之間的距離，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出加速度.例2

(2016·全國卷Ⅲ·23)某物理課外小組利用圖9中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系.圖中，置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼.本實(shí)驗(yàn)中可用的鉤碼共有N＝5個(gè)，每個(gè)質(zhì)量均為0.010kg.實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)將5個(gè)鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適當(dāng)厚度的小物塊，使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑.(2)將n(依次取n＝1，2，3，4，5)個(gè)鉤碼掛在輕繩右端，其余N－n個(gè)鉤碼仍留在小車內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行.釋放小車，同時(shí)用傳感器記錄小車在時(shí)刻t相對(duì)于其起始位置的位移s，繪制st圖象，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到相應(yīng)的加速度a.圖9(3)對(duì)應(yīng)于不同的n的a值見下表.n＝2時(shí)的st圖象如圖10所示；由圖求出此時(shí)小車的加速度(保留2位有效數(shù)字)，將結(jié)果填入下表.解析因?yàn)樾≤囎龀跛俣葹榱愕膭蚣铀僦本€運(yùn)動(dòng)，將圖中點(diǎn)(2，0.78)代入s＝

at2可得，a＝0.39m/s2.答案解析n12345a/(m·s－2)0.20

0.580.781.00圖100.39(4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖11中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn)，并作出an圖象.從圖象可以看出：當(dāng)物體質(zhì)量一定時(shí)，物體的加速度與其所受的合外力成正比.圖11答案見解析圖解析根據(jù)描點(diǎn)法可得如圖所示圖線.答案解析(5)利用a-n圖象求得小車(空載)的質(zhì)量為_____kg(保留2位有效數(shù)字，重力加速度取g＝9.8m·s－2).0.44答案解析(6)若以“保持木板水平”來代替步驟(1)，下列說法正確的是____(填入正確選項(xiàng)前的標(biāo)號(hào))A.a-n圖線不再是直線B.a-n圖線仍是直線，但該直線不過原點(diǎn)C.a-n圖線仍是直線，但該直線的斜率變大√√答案解析變式3

在用DIS研究小車加速度與外力的關(guān)系時(shí)，某實(shí)驗(yàn)小組先用如圖12(a)所示的實(shí)驗(yàn)裝置，重物通過滑輪用細(xì)線拉小車，在小車和重物之間接一個(gè)不計(jì)質(zhì)量的微型力傳感器，位移傳感器(發(fā)射器)隨小車一起沿水平軌道運(yùn)動(dòng)，位移傳感器(接收器)固定在軌道一端，實(shí)驗(yàn)中力傳感器的拉力為F，保持小車[包括位移傳感器(發(fā)射器)]的質(zhì)量不變，改變重物質(zhì)量重復(fù)實(shí)驗(yàn)若干次，得到加速度與外力的關(guān)系如圖(b)所示.(1)小車與軌道的滑動(dòng)摩擦力Ff＝_____N.解析根據(jù)題圖(b)可知，當(dāng)F＝0.67N時(shí)，小車開始有加速度，則Ff＝0.67N，0.67圖12答案解析(2)從圖象中分析，小車[包括位移傳感器(發(fā)射器)]的質(zhì)量為_____kg.0.67答案解析(3)該實(shí)驗(yàn)小組為得到a與F成正比的關(guān)系，應(yīng)將斜面的傾角θ調(diào)整到tanθ＝____.0.1答案解析解析為得到a與F成正比的關(guān)系，則應(yīng)該平衡摩擦力，則有：Mgsinθ＝μMgcosθ解得：tanθ＝μ，所以tanθ＝0.1.變式4如圖13所示為某同學(xué)探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，兩個(gè)相同質(zhì)量的小車放在光滑水平板上，前端各系一根輕質(zhì)細(xì)繩，繩的一端跨過光滑輕質(zhì)定滑輪各掛一個(gè)小盤，盤中可放砝碼.兩小車后端各系一條細(xì)繩，一起被夾子夾著使小車靜止.打開夾子，兩小車同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)；關(guān)上夾子，兩小車同時(shí)停下來，用刻度尺測(cè)出兩小車的位移，下表是該同學(xué)在幾次實(shí)驗(yàn)中記錄的數(shù)據(jù).圖13實(shí)驗(yàn)次數(shù)車號(hào)小車質(zhì)量(g)小盤質(zhì)量(g)車中砝碼質(zhì)量(g)盤中砝碼質(zhì)量(g)小車位移(cm)1甲50100015乙5010010302甲501001027.5乙50105010143甲50100018乙50101010

請(qǐng)回答下述問題：(1)在每一次實(shí)驗(yàn)中，甲、乙兩車的位移之比等于_______之比，請(qǐng)簡(jiǎn)要說明實(shí)驗(yàn)原理_______.解析由于兩車運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同，由x＝

at2，知甲、乙兩車的位移之比等于加速度之比，即x甲∶x乙＝a甲∶a乙.答案解析加速度見解析(2)第一次實(shí)驗(yàn)控制了_________不變，在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)可得出的結(jié)論是_______________________.解析第一次實(shí)驗(yàn)中控制小車質(zhì)量不變，在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，小車加速度與拉力成正比.答案解析小車質(zhì)量小車加速度與拉力成正比(3)第二次實(shí)驗(yàn)控制了______________不變，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)可得出的結(jié)論是_______________________.小車所受拉力小車加速度與質(zhì)量成反比解析第二次實(shí)驗(yàn)中控制小車所受拉力不變，在實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)，小車加速度與質(zhì)量成反比.(4)第三次實(shí)驗(yàn)時(shí)，該同學(xué)先測(cè)量了甲車的位移，再根據(jù)前兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)論，計(jì)算出乙車應(yīng)該發(fā)生的位移，然后再測(cè)量了乙車的位移，結(jié)果他高興地發(fā)現(xiàn)，理論的預(yù)言與實(shí)際符合得相當(dāng)好.請(qǐng)問，他計(jì)算出的乙車的位移應(yīng)該是_______.30cm答案解析命題點(diǎn)三教材實(shí)驗(yàn)拓展能力考點(diǎn)師生共研以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為背景測(cè)量物塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù).例3甲、乙兩同學(xué)均設(shè)計(jì)了測(cè)動(dòng)摩擦因數(shù)的實(shí)驗(yàn).已知重力加速度為g.圖14(1)甲同學(xué)所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖14甲所示.其中A為一質(zhì)量為M的長直木板，B為木板上放置的質(zhì)量為m的物塊，C為物塊右端連接的一輕質(zhì)彈簧測(cè)力計(jì)(水平放置).實(shí)驗(yàn)時(shí)用力將A從B的下方抽出，通過C的讀數(shù)F1即可測(cè)出動(dòng)摩擦因數(shù).則該設(shè)計(jì)能測(cè)出_______(填“A與B”或“A與地面”)之間的動(dòng)摩擦因數(shù)，其表達(dá)式為____.A與B答案解析(2)乙同學(xué)的設(shè)計(jì)如圖乙所示.他在一端帶有光滑輕質(zhì)定滑輪的長木板上固定有A、B兩個(gè)光電門，與光電門相連的計(jì)時(shí)器可以顯示帶有遮光片的物塊在其間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，與跨過定滑輪的輕質(zhì)細(xì)繩相連的輕質(zhì)測(cè)力計(jì)能顯示掛鉤處所受的拉力.實(shí)驗(yàn)時(shí)，多次改變砂桶中砂的質(zhì)量，每次都讓物塊從靠近光電門A處由靜止開始運(yùn)動(dòng)，讀出多組測(cè)力計(jì)示數(shù)F及對(duì)應(yīng)的物塊在兩光電門之間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t.在坐標(biāo)系中作出F－

的圖線如圖丙所示