新人教版第3章實驗4探究加速度與物體受力物體質量的關系課件（70張）

第三章牛頓運動定律實驗四探究加速度與物體受力、物體質量的關系實驗知識·自主回顧核心考點·重點突破2年高考·1年模擬實驗知識·自主回顧一、實驗目的1．學會用控制變量法研究物理規(guī)律。2．學會靈活運用圖像法處理物理問題。3．探究加速度與力、質量的關系，并驗證牛頓第二定律。二、實驗原理如圖所示，在探究加速度a與合力F及質量M的關系時，應用的基本方法是_______________，即先控制小車的質量M不變，討論加速度a與______的關系；再控制小盤和盤中砝碼的質量m不變，即力F不變，改變小車的質量M，討論加速度a與_________的關系?？刂谱兞糠質量M三、實驗步驟(1)稱量質量：用天平稱量小盤的質量和小車的質量M。(2)安裝器材：按圖把實驗器材安裝好，只是不把懸掛小盤的細繩系在小車上(即不給小車牽引力)。(3)平衡摩擦力：在長木板不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊，使小車勻速下滑。這時，小車拖著紙帶運動時受到的摩擦阻力恰好與小車所受的______________________________平衡。(4)小盤通過細繩繞過滑輪系于小車上，先接通電源后放開小車，取下紙帶，編上號碼。重力沿斜面向下的分力(5)保持小車的質量M不變，改變小盤和盤中砝碼的質量m，重復步驟(4)。(6)保持小盤和盤中砝碼的質量m不變，改變小車質量M，重復步驟(4)。四、數(shù)據(jù)處理(1)在“探究加速度與力的關系”實驗中，以加速度a為縱坐標、力F為橫坐標建立坐標系，根據(jù)各組數(shù)據(jù)在坐標系中描點。如果這些點在一條過原點的直線上，說明a與F成正比；(2)在“探究加速度與質量的關系”實驗中，“a與M成反比”實際注意：兩個圖像斜率的物理意義：a－F圖線的斜率表示____________________________，即___；a－圖線的斜率表示_____________________，即_________________________。小車和車中砝碼質量的倒數(shù)小車受到的合力小盤和盤中砝碼的重力mg五、注意事項(1)平衡摩擦力中的“不重復”：平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤和砝碼的總質量還是改變小車和砝碼的總質量，都不需要重新平衡摩擦力。(2)操作中的“一先一后一按”：每次開始時小車應靠近打點計時器，并先接通電源，后放開小車，且應在小車碰到滑輪前按住小車。(3)作圖中的“擬合與舍棄”：要使盡可能多的點在一條直線上，不在直線上的點也要盡可能均勻地分布在直線的兩側，遇到個別偏差較大的點應舍去。本實驗用小盤和盤中砝碼的重力mg代替小車所受的拉力，而實際上小車所受的拉力要小于小盤和盤中砝碼的重力。小盤和砝碼的總質量越小，由此引起的誤差就越小。(2)摩擦力平衡不準確、質量稱量不準確、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產生誤差。核心考點·重點突破考點一教材原型實驗例1(2023·浙江高三階段練習)用如圖1所示的實驗裝置探究加速度與力的關系。(1)平衡摩擦力時，要先______(填“掛上”或“取下”)鉤碼進行實驗操作。把木板不帶滑輪的一端適當墊高并反復調節(jié)，直到輕推小車后，小車能帶著紙帶沿木板做__________________運動；取下勻速直線運動(2)平衡摩擦力后，在小車內放入4個相同的小鉤碼，線的左端掛上1個相同的小鉤碼，接通打點計時器，放開小車，測出相應的加速度；再從小車上取一個鉤碼掛到線左端，此時左端有2個鉤碼，重復實驗……。這樣操作實驗要不要鉤碼質量遠遠小于小車質量？_________(填“需要”或“不需要”)，這樣設計實驗比不在小車上放鉤碼而進行同樣的實驗，系統(tǒng)誤差會更___(填“小”或“大”)；不需要小(3)某次實驗中，小車拖動紙帶做勻加速直線運動，打點計時器所用的電源頻率為50Hz，實驗得到的一條紙帶如下圖2所示，紙帶上每相鄰的兩個計數(shù)點之間都有四個點未畫出。按時間順序取0、1、2、3、4、5六個計數(shù)點，實驗中用直尺量出各計數(shù)點到0點的距離如圖2所示(單位：cm)。在計數(shù)點1所代表的時刻，紙帶運動的瞬時速度為v1＝____________m/s，小車的加速度a＝____________m/s2(保留兩位有效數(shù)字)。(4)有一位同學通過實驗測量作出了如圖3中的A圖線。試分析：A圖線不通過坐標原點的原因是________________________________。沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足[解析](1)平衡摩擦力時，要先把鉤碼取下，輕輕推動小車，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做勻速直線運動；(2)平衡摩擦力后，在小車內放入4個相同的小鉤碼，線的左端掛上1個相同的小鉤碼，接通打點計時器，放開小車，測出相應的加速度；再從小車上取一個鉤碼掛到線左端，此時左端有2個鉤碼，重復實驗……?？芍还灿蠳＝5個鉤碼，假設小車的質量為M0，一個鉤碼的質量為m0，某次實驗時，掛在線左端的鉤碼個數(shù)為n，則小車內放入的鉤碼個數(shù)為N－n，根據(jù)牛頓第二定律有nm0g－T＝nm0a，T＝[M0＋(N－n)m0]a可知這樣操作實驗不需要鉤碼質量遠遠小于小車質量，這樣設計實驗比不在小車上放鉤碼而進行同樣的實驗，系統(tǒng)誤差會更小；(3)紙帶上每相鄰的兩個計數(shù)點之間都有四個點未畫出，則相鄰兩計數(shù)點的時間間隔為T＝5×0.02s＝0.1s(4)由圖像橫軸截距可知，當小車受到一定拉力時，小車的加速度卻為0，說明操作過程中沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。驗證牛頓運動定律實驗誤差分析方法技巧(1)沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠，在a－F圖像橫軸上有截距；(2)平衡摩擦力過度，在a－F圖像縱軸上有截距；(3)鉤碼的質量沒有遠小于小車及車上砝碼的總質量，則圖像不是直線，而會發(fā)生彎曲。(1)實驗中，為了保證砂和砂桶所受的重力近似等于使小車做勻加速直線運動的拉力，砂和砂桶的總質量m與小車和車上砝碼的總質量M之間應滿足的條件是______。(2)實驗中，需要補償打點計時器對小車的阻力及其他阻力：小車放在木板上，后面連接一條紙帶，紙帶穿過打點計時器。把木板一端墊高，調節(jié)木板的傾斜度，使小車在______(填“受”或“不受”)拉力時能拖動紙帶沿木板做勻速直線運動。m?M不受(2)平衡摩擦力的方法是：把木板一端墊高，調節(jié)木板的傾斜度，使小車在不受拉力時能拖動紙帶沿木板做勻速直線運動。(3)對砂和砂桶，由牛頓第二定律有mg－F＝ma對小車，由牛頓第二定律有F＝Ma考點二實驗拓展創(chuàng)新

(2023·河北模擬預測)某實驗小組利用如圖甲所示的裝置探究加速度與物體受力的關系，已知小車的質量為M，砝碼盤及砝碼的總質量為m，打點計時器所接的交流電的頻率為f，定滑輪和動滑輪受到的阻力可忽略不計。實驗步驟如下：①按圖甲所示安裝好實驗裝置，其中與定滑輪及彈簧測力計相連的細線豎直；②取下砝碼盤，調節(jié)長木板的傾角，輕推小車，使小車能沿長木板向下勻速運動，記下此時彈簧測力計的示數(shù)F0；例2③掛上砝碼盤，接通電源后，再放開小車，打出一條紙帶，記下彈簧測力計的示數(shù)F1，由紙帶求出小車的加速度a1；④改變砝碼盤中砝碼的質量，重復步驟③，記下彈簧測力計的示數(shù)Fi，求得小車在不同合力作用下的加速度ai。(1)對于該實驗方案，下列說法正確的是___。A．實驗過程中一定要保持M?mB．與小車相連的細線跟長木板一定要平行C．平衡摩擦力時，即步驟②中一定不能掛上砝碼盤D．當彈簧測力計的示數(shù)為F1時，小車受到的合力大小為F1－F0－mgB(2)實驗過程中打出的一條紙帶如圖乙所示，1、2、3、4、5為計數(shù)點，相鄰兩個計數(shù)點間還有四個計時點未畫出，則打點計時器在打計數(shù)點“4”時，小車的速度大小為_______，加速度的大小為______________。(用字母s1、s2、s3、s4和f表示)；若s1＝6.02cm，s2＝6.89cm，s3＝7.77cm，s4＝8.66cm，f＝50Hz，則小車的加速度大小a＝________m/s2。(結果保留兩位有效數(shù)字)(3)由本實驗得到的數(shù)據(jù)作出小車的加速度a與彈簧測力計的示數(shù)F的關系圖像，下列四幅圖中，與本實驗相符合的是___。B[解析](1)實驗中因為彈簧測力計可直接讀出細線的拉力大小，所以不一定要保持M?m，故A錯誤；平衡摩擦力時，步驟②中也可以掛上砝碼盤，只要保證小車勻速下滑，與小車相連的細線與長木板平行即可，故B正確，C錯誤；在計算小車運動過程中受到的合力時，應為彈簧測力計的示數(shù)Fi減去小車勻速下滑時彈簧測力計的示數(shù)F0，D錯誤。〔變式訓練2〕

(2023·山東德州高三模擬)某實驗小組利用氣墊導軌和數(shù)字計時器探究加速度與物體所受合外力的關系，如圖甲所示，氣墊導軌的兩支腳高度相同，可沿氣墊導軌固定在不同位置。主要實驗步驟如下：A．用螺旋測微器測量遮光片的寬度d；B．用刻度尺測量兩數(shù)字計時器間的距離L；C．用刻度尺測量兩支腳間的距離s；D．在右支腳下放一高度為h的墊塊，使氣墊導軌傾斜；E．將遮光片固定在滑塊上，釋放滑塊，依次記錄兩數(shù)字計時器的遮光時間t1、t2；F．僅改變右支腳及其墊塊的位置，多次重復操作步驟C、D、E。(1)在步驟A中，螺旋測微器的示數(shù)如圖乙所示，則d＝______________________mm；(2)在步驟E中，滑塊運動的加速度大小a＝__________(選用“d、L、s、h、t1、t2”中的字母表達)；(3)要用圖像法驗證加速度a與物體所受合外力是否成正比，若縱軸為第(2)問中的加速度a，則橫軸應為_________(選用“d、L、s、h、t1、t2”中的字母表達)。或或[解析](1)螺旋測微器的示數(shù)等于固定刻度加上可動刻度，則螺旋測微器的示數(shù)為3.5mm＋×0.01mm＝3.727mm?？键c三教材實驗拓展——測定動摩擦因數(shù)(2023·河北模擬預測)某同學欲用如圖所示的裝置測量滑塊與滑板間的動摩擦因數(shù)并驗證牛頓第二定律，水平面上放一高度可調的滑板，滑板左側固定一定滑輪，定滑輪的左側通過細繩豎直連接一物塊A，另一側連接帶有擋光片的滑塊B，在滑板上固定放置了中心間距為L的兩個光電門1和2，擋光片的寬度很窄。實驗步驟如下：例3(1)測量物塊A的質量m，滑塊B及擋光片的質量M和擋光片的寬度d。(2)按圖連接好裝置，給物塊A一個向下的初速度，調節(jié)滑板的傾角，使滑塊通過光電門的時間相等，固定滑板，使得滑板傾角不變，測得傾角為θ，則滑塊與滑板間的動摩擦因數(shù)μ為_____________________。(用所給物理量符號表示)(3)撤掉物塊A和細繩，單獨讓滑塊B從滑板頂端滑下，測得滑塊通過1、2兩個光電門的時間分別為t1、t2，則滑塊的加速度為_____________。(用所給物理量符號表示)(4)若牛頓第二定律成立，則需要驗證的關系式為______________。(用所給物理量符號表示)2年高考·1年模擬1.(2021·全國甲卷)為測量小銅塊與瓷磚表面間的動摩擦因數(shù)，一同學將貼有標尺的瓷磚的一端放在水平桌面上，形成一傾角為α的斜面(已知sinα＝，cosα＝0.94)，小銅塊可在斜面上加速下滑，如圖所示。該同學用手機拍攝小銅塊的下滑過程，然后解析視頻記錄的圖像，獲得5個連續(xù)相等時間間隔(每個時間間隔ΔT＝0.20s)內小銅塊沿斜面下滑的距離si(i＝1,2,3,4,5)，如下表所示。由表中數(shù)據(jù)可得，小銅塊沿斜面下滑的加速度大小為____________m/s2，小銅塊與瓷磚表面間的動摩擦因數(shù)為____________。(結果均保留2位有效數(shù)字，重力加速度大小取9.80m/s2)s1s2s3s4s55.87cm7.58cm9.31cm11.02cm12.74cm代入數(shù)據(jù)可得小銅塊沿斜面下滑的加速度大小a≈0.43m/s2，對小銅塊受力分析根據(jù)牛頓第二定律有mgsinα－μmgcosα＝ma，代入數(shù)據(jù)解得μ≈。2．(2021·湖南卷)某實驗小組利用圖(a)所示裝置探究加速度與物體所受合外力的關系。主要實驗步驟如下：(1)用游標卡尺測量墊塊厚度h，示數(shù)如圖(b)所示，h＝____________cm；(2)接通氣泵，將滑塊輕放在氣墊導軌上，調節(jié)導軌至水平；(3)在右支點下放一墊塊，改變氣墊導軌的傾斜角度；(4)在氣墊導軌合適位置釋放滑塊，記錄墊塊個數(shù)n和滑塊對應的加速度a；(5)在右支點下增加墊塊個數(shù)(墊塊完全相同)，重復步驟(4)，記錄數(shù)據(jù)如下表：根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖(c)上描點，繪制圖線。如果表中缺少的第4組數(shù)據(jù)是正確的，其應該是_______________m/s2(保留三位有效數(shù)字)。n123456(a/m·s－2)0.0870.1800.260

0.4250.519[答案]

見解析圖[解析](1)墊塊的厚度為h＝1cm＋2×0.1mm＝1.02cm。(5)繪制圖線如圖；3．(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5.00cm，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(shù)據(jù)，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(shù)字)：(1)彈簧的勁度系數(shù)為______N/m。(2)該同學從圖乙中提取某些時刻F與a的數(shù)據(jù)，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。12

[解析](1)初始時彈簧的伸長量為5.00cm，結合圖乙可讀出彈簧彈力為0.610N，由F＝kx可得彈簧的勁度系數(shù)k＝12N/m。(2)根據(jù)牛頓第二定律F＝ma，結合圖丙可得a－F圖線斜率的倒數(shù)表示滑塊與加速度傳感器的質量，代入數(shù)據(jù)得m＝0.20kg。4．(2023·福建省龍巖高三模擬)如圖所示，某組同學借用“探究a與F、m之間的定量關系”的相關實驗思想、原理及操作，進行“研究合外力做功和動能變化的關系”的實驗：(1)打點計時器使用的電源是___(選填選項前的字母)；A．直流電源 B.交流電源(2)實驗中，需要平衡摩擦力和其他阻力，正確操作方法是______(選填選項前的字母)；A．把長木板右端墊高B．改變小車的質量C．將重物和細線取下D．將紙帶、重物和細線全部取下BAC(3)連接細繩及托盤，放入砝碼，通過實驗得到如下圖所示的紙帶并標上相應的計數(shù)點。其中兩相鄰計數(shù)點間有四個點未畫出。已知所用電源的頻率為50Hz，紙帶上O點為小車運動起始時刻所打的點，則打A點時小車運動的速度vA＝_______________m/s，小車運動的加速度a＝_______________m/s2。(結果要求保留三位有效數(shù)字)[解析](1)打點計時器使用的電源是交流電源，故選B；(2)平衡摩擦力時應將長木板右端適當墊高，故A