2022版高考物理一輪復(fù)習(xí)第三章牛頓運(yùn)動(dòng)定律實(shí)驗(yàn)四探究加速度與物體受力物體質(zhì)量的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)四探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．學(xué)會(huì)用控制變量法研究物理規(guī)律。2．學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3．探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，并驗(yàn)證牛頓第二定律。二、實(shí)驗(yàn)原理與要求2．實(shí)驗(yàn)器材小車(chē)、砝碼、小盤(pán)、細(xì)繩、附有定滑輪的長(zhǎng)木板、墊木、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源、導(dǎo)線、紙帶、天平、毫米刻度尺。3．實(shí)驗(yàn)步驟(1)測(cè)量：用天平測(cè)量小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量m′和小車(chē)的質(zhì)量m。(2)安裝：按照實(shí)驗(yàn)原理圖把實(shí)驗(yàn)器材安裝好，只是不把懸掛小盤(pán)的細(xì)繩系在小車(chē)上(即不給小車(chē)牽引力)。(3)平衡摩擦力：在長(zhǎng)木板不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，使小車(chē)能勻速下滑。

[規(guī)律方法總結(jié)]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(chē)的重力沿斜面方向的分力正好平衡小車(chē)和紙帶受到的阻力。在平衡摩擦力時(shí)，不要把懸掛小盤(pán)的細(xì)繩系在小車(chē)上，但要小車(chē)?yán)垘А?2)實(shí)驗(yàn)時(shí)要保證小盤(pán)和砝碼的總質(zhì)量m′遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量m。(3)不必重復(fù)平衡摩擦力。(4)一先一后：改變拉力和小車(chē)質(zhì)量后，每次開(kāi)始時(shí)小車(chē)應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并應(yīng)先接通電源，后釋放小車(chē)。2．誤差分析(1)因?qū)嶒?yàn)原理不完善引起的誤差：本實(shí)驗(yàn)用小盤(pán)和砝碼的總重力m′g代替小車(chē)的拉力，而實(shí)際上小車(chē)所受的拉力要小于小盤(pán)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)格與木板平行以及描點(diǎn)作圖時(shí)都會(huì)引起誤差。命題點(diǎn)一教材原型實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)原理與操作[典例1]

在“驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律”實(shí)驗(yàn)中，采用如圖所示的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。(1)對(duì)小車(chē)進(jìn)行“平衡摩擦力”操作時(shí)，下列必須進(jìn)行的是________(填字母序號(hào))。A．取下沙和沙桶B．在空沙桶的牽引下，輕推一下小車(chē)，小車(chē)能做勻速直線運(yùn)動(dòng)C．小車(chē)拖著穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源應(yīng)斷開(kāi)D．把長(zhǎng)木板沒(méi)有定滑輪的一端墊起適當(dāng)高度AD

[解析]

(1)平衡摩擦力是使小車(chē)所受重力沿木板方向的分力與小車(chē)所受摩擦力平衡，故A、D項(xiàng)正確，B項(xiàng)錯(cuò)誤；為確定小車(chē)是否為勻速運(yùn)動(dòng)，需要通過(guò)紙帶上點(diǎn)跡是否均勻來(lái)判斷，故C項(xiàng)錯(cuò)誤。(2)實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)測(cè)出小車(chē)的質(zhì)量為M，沙和沙桶的總質(zhì)量為m，若要將沙和沙桶的總重力大小作為小車(chē)所受拉力F的大小，這樣做的前提條件是________________________。[答案]

(2)沙和沙桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量[解析]

(3)本實(shí)驗(yàn)是“驗(yàn)證牛頓運(yùn)動(dòng)定律”，所以不能把牛頓第二定律當(dāng)成已知的公式來(lái)使用，故A錯(cuò)誤；使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，應(yīng)該先接通電源，后釋放紙帶，故B正確；平衡摩擦力后有μ＝tanθ，小車(chē)質(zhì)量改變時(shí)，總滿(mǎn)足mgsinθ＝μmgcosθ，與小車(chē)質(zhì)量無(wú)關(guān)，所以不用再次平衡摩擦力，故C錯(cuò)誤；本實(shí)驗(yàn)采用控制變量法，故D正確。[答案]

(3)BD

數(shù)據(jù)處理與分析[典例2]

某組同學(xué)設(shè)計(jì)了“探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量M的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。圖甲為實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖，A為小車(chē)，B為電火花計(jì)時(shí)器，C為裝有細(xì)沙的小桶，D為一端帶有定滑輪的長(zhǎng)方形木板，實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為細(xì)繩對(duì)小車(chē)的拉力F等于細(xì)沙和小桶的總重力，小車(chē)運(yùn)動(dòng)的加速度a可用紙帶上打出的點(diǎn)求得。(1)圖乙為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，已知實(shí)驗(yàn)所用電源的頻率為50Hz。根據(jù)紙帶可求出電火花計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)的速度為_(kāi)_______m/s，小車(chē)的加速度大小為_(kāi)_______m/s2。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)(2)在“探究加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系”時(shí)，某同學(xué)按照自己的方案將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中進(jìn)行了標(biāo)注，但尚未完成圖象(如圖丙所示)。請(qǐng)繼續(xù)幫助該同學(xué)作出坐標(biāo)系中的圖象。[解析]

(2)將坐標(biāo)系中各點(diǎn)連成一條直線，連線時(shí)應(yīng)使直線過(guò)盡可能多的點(diǎn)，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)大致對(duì)稱(chēng)地分布在直線的兩側(cè)，離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，不予考慮，連線如圖所示。[答案]

(1)1.6

3.2(2)圖見(jiàn)解析(3)在“探究加速度a與合力F的關(guān)系”時(shí)，該同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a與合力F的圖線如圖丁，該圖線不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，試分析圖線不通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的原因。答：_______________________________________________________。[解析]

(3)圖線與橫軸有截距，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)前沒(méi)有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。

[答案]

(3)實(shí)驗(yàn)前沒(méi)有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足(4)實(shí)驗(yàn)時(shí)改變所掛小桶內(nèi)細(xì)沙的質(zhì)量，分別測(cè)量小車(chē)在不同外力作用下的加速度。根據(jù)測(cè)得的多組數(shù)據(jù)畫(huà)出a--F關(guān)系圖線，如圖戊所示。此圖線的AB段明顯偏離直線，造成此現(xiàn)象的主要原因可能是________(選填下列選項(xiàng)的序號(hào))。

A．小車(chē)與平面軌道之間存在摩擦B．平面軌道傾斜角度過(guò)大C．所掛小桶及桶內(nèi)細(xì)沙的總質(zhì)量過(guò)大D．所用小車(chē)的質(zhì)量過(guò)大[答案]

(4)C命題點(diǎn)二實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)器材創(chuàng)新[典例3]

(2021·江蘇新沂高三質(zhì)檢)圖甲是利用氣墊導(dǎo)軌探究在外力一定的條件下，物體加速度與質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①氣墊導(dǎo)軌放在水平桌面上，并調(diào)至水平；②用游標(biāo)卡尺測(cè)出擋光條的寬度為l；③由導(dǎo)軌上標(biāo)尺讀出兩光電門(mén)中心之間的距離為s；④將滑塊移至光電門(mén)1左側(cè)某處，待砝碼靜止不動(dòng)后釋放滑塊，要求砝碼落地前擋光條已通過(guò)光電門(mén)2；⑤從數(shù)字計(jì)時(shí)器(圖中未畫(huà)出)上分別讀出擋光條通過(guò)光電門(mén)1和光電門(mén)2所用的時(shí)間分別為Δt1和Δt2；⑥用天平稱(chēng)出滑塊和擋光條的總質(zhì)量為M；⑦改變滑塊的質(zhì)量，重復(fù)步驟④⑤⑥進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。據(jù)上述實(shí)驗(yàn)回答下列問(wèn)題：(1)關(guān)于實(shí)驗(yàn)操作，下列說(shuō)法正確的是________。A．應(yīng)先接通光電門(mén)后釋放滑塊B．調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平時(shí)，應(yīng)掛上砝碼C．應(yīng)調(diào)節(jié)定滑輪使細(xì)線和氣墊導(dǎo)軌平行D．每次都應(yīng)將滑塊從同一位置由靜止釋放(2)用測(cè)量物理量的字母表示滑塊加速度a＝________。[答案]

(3)2.5(2.3～2.7均可)

(4)沒(méi)有選取滑塊和砝碼一起作為研究對(duì)象(或M沒(méi)有加上砝碼和砝碼盤(pán)的質(zhì)量)創(chuàng)新評(píng)價(jià)本實(shí)驗(yàn)用光電門(mén)和氣墊導(dǎo)軌代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與滑板組合，無(wú)須平衡摩擦力，操作便捷；根據(jù)遮光條的寬度可測(cè)滑塊的速度，應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求加速度，避免了紙帶位移測(cè)量的誤差。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)創(chuàng)新[典例4]

某物理課外小組利用圖(a)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(zhǎng)木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨過(guò)滑輪，一端與放在木板上的小滑車(chē)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(chē)中，在長(zhǎng)木板左下方墊上適當(dāng)厚度的小物塊，使小車(chē)(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(chē)內(nèi)；用手按住小車(chē)并使輕繩與木板平行。釋放小車(chē)，同時(shí)用傳感器記錄小車(chē)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。(3)對(duì)應(yīng)于不同的n的a值見(jiàn)下表。n＝2時(shí)的st圖象如圖(b)所示；由圖(b)求出此時(shí)小車(chē)的加速度(保留兩位有效數(shù)字)，將結(jié)果填入下表。n12345a/(m·s－2)0.200.580.781.00(4)利用表中的數(shù)據(jù)在圖(c)中補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn)，并作出a-n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。(5)利用a-n圖象求得小車(chē)(空載)的質(zhì)量為_(kāi)_______kg(保留兩位有效數(shù)字，重力加速度取g＝9.8m·s－2)。(6)若以“保持木板水平”來(lái)代替步驟(1)，下列說(shuō)法正確的是________(填入正確選項(xiàng)前的標(biāo)號(hào))。A．a(chǎn)-n圖線不再是直線B．a(chǎn)-n圖線仍是直線，但該直線不過(guò)原點(diǎn)C．a(chǎn)-n圖線仍是直線，但該直線的斜率變大創(chuàng)新評(píng)價(jià)本題創(chuàng)新之處體現(xiàn)在兩點(diǎn)，一是實(shí)驗(yàn)過(guò)程保證了系統(tǒng)總質(zhì)量不變化；二是用傳感器記錄小車(chē)的時(shí)間t與位移s，直接繪制s-t圖象處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康膭?chuàng)新[典例5]

(2020·全國(guó)百?gòu)?qiáng)名校高三下學(xué)期領(lǐng)軍考試)某同學(xué)用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量木塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)。(1)從打出的若干紙帶中選出了如圖乙所示的一條，紙帶上A、B、C、D、E這些點(diǎn)的間距如圖中標(biāo)示，其中每相鄰兩點(diǎn)間還有4個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)未畫(huà)出。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源頻率是50Hz，根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算：打C點(diǎn)時(shí)紙帶的速度大小為_(kāi)_______________m/s；紙帶運(yùn)動(dòng)的加速度大小為_(kāi)_______________m/s2。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)(2)通過(guò)(1)測(cè)得木塊的加速度為a，還測(cè)得鉤碼和木塊的質(zhì)量分別為m和M，已知當(dāng)?shù)刂亓铀俣葹間，則動(dòng)摩擦因數(shù)μ＝________________。創(chuàng)新評(píng)價(jià)本題中的創(chuàng)新點(diǎn)在于由驗(yàn)證加速度與物體的質(zhì)量、合外力的關(guān)系拓展為利用牛頓第二定律測(cè)量物塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)。

實(shí)驗(yàn)情景創(chuàng)新[典例6]

某實(shí)驗(yàn)小組應(yīng)用如圖甲所示裝置“探究加速度與物體受力的關(guān)系”，已知小車(chē)的質(zhì)量為M，砝碼及砝碼盤(pán)的總質(zhì)量為m，所用的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所接的交流電的頻率為50Hz。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

A．按圖所示安裝好實(shí)驗(yàn)裝置，其中與定滑輪及彈簧測(cè)力計(jì)相連的細(xì)線豎直；B．調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板的傾角，輕推小車(chē)后，使小車(chē)能沿長(zhǎng)木板向下勻速運(yùn)動(dòng)；C．掛上砝碼盤(pán)，接通電源后，再放開(kāi)小車(chē)，打出一條紙帶，由紙帶求出小車(chē)的加速度；D．改變砝碼盤(pán)中砝碼的質(zhì)量，重復(fù)步驟C，求得小車(chē)在不同合力作用下的加速度。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程，回答以下問(wèn)題：(1)對(duì)于上述實(shí)驗(yàn)，下列說(shuō)法正確的是________。A．小車(chē)的加速度與砝碼盤(pán)的加速度大小相等B．實(shí)驗(yàn)過(guò)程中砝碼盤(pán)處于超重狀態(tài)C．與小車(chē)相連的細(xì)線與長(zhǎng)木板一定要平行D．彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為砝碼和砝碼盤(pán)總重力的一半E．砝碼和砝碼盤(pán)的總質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量C[解析]

(1)由圖可知，小車(chē)的加速度是砝碼盤(pán)的加速度大小的2倍，故A錯(cuò)誤；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，砝碼向下加速運(yùn)動(dòng)，處于失重狀態(tài)，故B錯(cuò)誤；與小車(chē)相連的細(xì)線與長(zhǎng)木板一定要平行，保證拉力沿著木板方向，故C正確；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，砝碼向下加速運(yùn)動(dòng)，處于失重狀態(tài)，故彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)小于砝碼和砝碼盤(pán)總重力的一半，故D錯(cuò)誤；由于不需要把砝碼的重力作為小車(chē)的拉力，故不需要使砝碼和砝碼盤(pán)的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量，故E錯(cuò)誤。(2)實(shí)驗(yàn)中打出的一條紙帶如圖乙所示，由該紙帶可求得小車(chē)的加速度為_(kāi)_______m/s2。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)[答案]

(2)0.16(3)由本實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)作出小車(chē)的加速度a與彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F的關(guān)系圖象，與本實(shí)驗(yàn)相符合的是________。[解析](3)由題意可知，小車(chē)的加速度a與彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F的關(guān)系應(yīng)該是成正比，即為過(guò)原點(diǎn)的一條傾斜直線，故A與本實(shí)驗(yàn)符合。A創(chuàng)新評(píng)價(jià)本實(shí)驗(yàn)在原理不變的基礎(chǔ)上，改換拉力測(cè)量的情景，結(jié)合定滑輪的特點(diǎn)，由彈簧測(cè)力計(jì)可獲取拉力，不需要滿(mǎn)足砝碼和砝碼盤(pán)的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車(chē)的質(zhì)量的條件。

1．如圖所示，某實(shí)驗(yàn)小組借用“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行“探究做功與物體速度變化的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)使小車(chē)在砝碼和托盤(pán)的牽引下運(yùn)動(dòng)，以此定量探究細(xì)繩拉力做功與小車(chē)速度變化的關(guān)系。(1)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器及配套的電源、導(dǎo)線、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙及如圖所示的器材。若要完成該實(shí)驗(yàn)，必需的實(shí)驗(yàn)器材還有其中的________。(2)為達(dá)到平衡摩擦力的目的，取下細(xì)繩和托盤(pán)，通過(guò)調(diào)節(jié)墊片的位置，改變長(zhǎng)木板傾斜程度，根據(jù)打出的紙帶判斷小車(chē)是否做________運(yùn)動(dòng)。解析：(1)本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理是合外力所做的功等于動(dòng)能的變化量，通過(guò)研究紙帶來(lái)研究小車(chē)的速度，利用天平測(cè)量小車(chē)的質(zhì)量，利用砝碼的重力代替小車(chē)的合外力，所以需要刻度尺來(lái)測(cè)量紙帶上點(diǎn)的距離和用天平測(cè)得小車(chē)的質(zhì)量，即還需要刻度尺，天平(帶砝碼)，故選A、C。(2)為達(dá)到平衡摩擦力的目的，取下細(xì)繩和托盤(pán)，通過(guò)調(diào)節(jié)墊片的位置，改變長(zhǎng)木板傾斜程度，根據(jù)打出的紙帶判斷小車(chē)是否做勻速直線運(yùn)動(dòng)。答案：(1)AC

(2)勻速直線(3)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使?fàn)恳≤?chē)的細(xì)繩與木板平行。這樣做的目的是________(填字母代號(hào))。A．避免小車(chē)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生抖動(dòng)B．可使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)跡清晰C．可以保證小車(chē)最終能夠?qū)崿F(xiàn)勻速直線運(yùn)動(dòng)D．可在平衡摩擦力后使細(xì)繩的拉力等于小車(chē)受的合力解析：(3)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為減少誤差，提高實(shí)驗(yàn)的精確度，應(yīng)先調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使?fàn)恳≤?chē)的細(xì)繩與木板平行，目的是平衡摩擦力后，使細(xì)繩的拉力等于小車(chē)的合力，故A、B、C錯(cuò)誤，D正確。答案：(3)D2．(2020·高考全國(guó)卷Ⅱ)一細(xì)繩跨過(guò)懸掛的定滑輪，兩端分別系有小球A和B，如圖所示。一實(shí)驗(yàn)小組用此裝置測(cè)量小球B運(yùn)動(dòng)的加速度。令兩小球靜止，細(xì)繩拉緊，然后釋放小球，測(cè)得小球B釋放時(shí)的高度h0＝0.590m，下降一段距離后的高度h＝0.100m；由h0下降至h所用的時(shí)間T＝0.730s。由此求得小球B加速度的大小為a＝________m/s2(保留三位有效數(shù)字)。從實(shí)驗(yàn)室提供的數(shù)據(jù)得知，小球A、B的質(zhì)量分別為100.0g和150.0g，當(dāng)?shù)刂亓铀俣却笮間＝9.80m/s2。根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算可得小球B加速度的大小為a′＝________m/s2(保留三位有效數(shù)字)?？梢钥闯觯琣′與a有明顯差