專題04探究加速度與力質(zhì)量的關(guān)系頂峰相見2024年高考物理實(shí)驗(yàn)培優(yōu)突破

專題04探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系1.學(xué)會(huì)用控制變量法研究物理規(guī)律.學(xué)會(huì)靈活運(yùn)用圖象法處理物理問題的方法.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，【實(shí)驗(yàn)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aF圖象和圖象，確定其關(guān)系?！緦?shí)驗(yàn)器材】小車、砝碼、小盤、細(xì)繩、附有定滑輪的長木板、墊木、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源、導(dǎo)線兩根、紙帶、天平、米尺?！緦?shí)驗(yàn)步驟】(1)測量：用天平測量小盤和砝碼的質(zhì)量m'和小車的質(zhì)量m；(2)安裝：按照如實(shí)驗(yàn)原理圖所示裝置把實(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，使小車能勻速下滑；(4)操作：①小盤通過細(xì)繩繞過滑輪系于小車上，先接通電源后放開小車，取下紙帶編號碼；②保持小車的質(zhì)量m不變，改變砝碼和小盤的質(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，測加速度a；④描點(diǎn)作圖，作aF的圖象；⑤保持砝碼和小盤的質(zhì)量m'不變，改變小車質(zhì)量m,重復(fù)步驟①和③,作a1/m圖象。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小車和紙帶受到的阻力.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)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：m＞＞m'。(4)一先一后一按：改變拉力和小車質(zhì)量后，每次開始時(shí)小車應(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，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車。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)量測量不準(zhǔn)確、計(jì)數(shù)點(diǎn)間距測量不準(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△x=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)，1/m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?？枷蛞粚?shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)操作【例題1】在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，采用如圖甲所示的裝置（g取10m/s2）。（1）除了圖中所給器材以及刻度尺、交流電源和導(dǎo)線外，在下列器材中，還必須使用的器材是。（選填正確選項(xiàng)的字母）A．秒表

B．天平（含砝碼）（2）實(shí)驗(yàn)前平衡摩擦力的做法是：把實(shí)驗(yàn)器材安裝好，先不掛砝碼盤，將小車放在木板上，后面固定一條紙帶，紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。用墊塊把木板一端墊高，接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，讓小車以一定初速度沿木板向下運(yùn)動(dòng)，并不斷調(diào)節(jié)木板的傾斜度，直到打出的紙帶點(diǎn)跡間隔（選填“均勻”或“逐漸增加”），說明摩擦力已被平衡。（3）在某次實(shí)驗(yàn)中，打出了一條紙帶如圖乙所示，計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的時(shí)間間隔為T，則B點(diǎn)時(shí)的速度vB=，小車加速度的大小為a=（結(jié)果用T和x1、x2、x3、x4表示）（4）若不斷增加砝碼的質(zhì)量，則小車的加速度大小將趨近于某一極限值，此極限值為?！敬鸢浮緽均勻g【詳解】（1）[1]通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可以得到計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔，所以不需要秒表；需要用天平測量質(zhì)量。故選B。（2）[2]用墊塊把木板一端墊高，接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，讓小車以一定初速度沿木板向下運(yùn)動(dòng)，并不斷調(diào)節(jié)木板的傾斜度，直到打出的紙帶點(diǎn)跡間隔均勻，則小車做勻速運(yùn)動(dòng)，說明摩擦力已被平衡。（3）[3]根據(jù)勻變速直線運(yùn)動(dòng)中間時(shí)刻速度等于該段過程的平均速度，則B點(diǎn)時(shí)的速度為[4]根據(jù)逐差法可得小車加速度的大小為（4）[5]設(shè)小車的質(zhì)量為，砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量為，以小車為對象，根據(jù)牛頓第二定律可得以砝碼和砝碼盤為對象，根據(jù)牛頓第二定律可得聯(lián)立可得可知不斷增加砝碼的質(zhì)量，當(dāng)時(shí)，小車的加速度大小將趨近于某一極限值，此極限值為?？枷蚨?shù)據(jù)處理與誤差分析【例題2】在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中：（1）某同學(xué)將實(shí)驗(yàn)裝置按圖甲所示安裝好，不掛細(xì)線與砝碼盤，輕推小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出紙帶及紙帶運(yùn)動(dòng)方向如圖乙所示，則應(yīng)將墊塊適當(dāng)（選填“左移”或“右移”）以平衡摩擦力。（2）平衡摩擦力后，實(shí)驗(yàn)得到一條紙帶，紙帶上按時(shí)間順序選取、五個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰的兩計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)點(diǎn)未畫出，如圖丙所示。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為，則小車加速度大?。ńY(jié)果保留2位小數(shù)）。（3）在研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，砝碼和砝碼盤的質(zhì)量為保持不變。小車的總質(zhì)量為，改變進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，測得對應(yīng)的小車加速度大小，作出和的圖線，合理的應(yīng)為。A．

B．C．

D．【答案】右移0.79/0.80/0.81A【詳解】（1）[1]由圖乙可知紙帶向左做加速運(yùn)動(dòng)，說明平衡摩擦力過度，應(yīng)將墊塊適當(dāng)右移以平衡摩擦力。（2）[2]相鄰的兩計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)點(diǎn)未畫出，則相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為由逐差法求小車的加速度（3）[3]由牛頓第二定律可得，解得可知圖線是過原點(diǎn)的傾斜的直線。故選A?？枷蛉龑?shí)驗(yàn)拓展與創(chuàng)新【例題3】某同學(xué)利用圖1所示裝置研究“滑塊質(zhì)量一定時(shí)，加速度與合外力的關(guān)系”。實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）將氣墊導(dǎo)軌一側(cè)用升降臺(tái)（圖中未畫出）墊高，固定彈簧測力計(jì)一端，另一端用細(xì)線拉住滑塊，滑塊靜止在氣墊導(dǎo)軌的某一位置，調(diào)整細(xì)線與氣墊導(dǎo)軌平行，記下彈簧測力計(jì)的示數(shù)如圖2所示，則N。（2）保持滑塊質(zhì)量不變，撤去細(xì)線，讓滑塊由靜止開始下滑，設(shè)滑塊受到的合外力為F，則F=N。某次實(shí)驗(yàn)中通過速度傳感器得到滑塊運(yùn)動(dòng)的vt圖像如圖3所示，可知滑塊的加速度為m/s2（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。（3）改變氣墊導(dǎo)軌的傾角，重復(fù)上述步驟可測出多組F、a數(shù)據(jù)，作出a—F圖像如圖4所示，由圖可知該滑塊的質(zhì)量為kg（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）?！敬鸢浮?.42.40.560.50【詳解】（1）[1]由圖可知彈簧測力計(jì)的最小刻度為0.2N，示數(shù)為2.4N。（2）[2]對滑塊受力分析，撤去細(xì)線，讓滑塊由靜止開始下滑，滑塊受到的合外力即為細(xì)線拉力大小，為2.4N。[3]根據(jù)vt圖像中圖線的斜率表示加速度，可得滑塊的加速度為（3）[4]根據(jù)牛頓第二定律，可得結(jié)合圖像，有解得1．小華采用了如圖（a）所示的裝置探究空氣阻力與物體運(yùn)動(dòng)速度關(guān)系。（1）圖（b）中所示是（填“A”或“B”）A．電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器

B．電火花計(jì)時(shí)器（2）首先將未安裝薄板的小車置于帶有定滑輪的木板上，然后將紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器與小車相連。平衡摩擦力后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，打出的紙帶如圖（c）所示，在紙帶上標(biāo)出了5個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，相鄰兩個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)點(diǎn)未標(biāo)出。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為0.02s，則打下計(jì)數(shù)點(diǎn)2時(shí)小車速度v=m/s，小車加速度a=m/s2。（結(jié)果均保留2位小數(shù)）（3）保持小車和鉤碼的質(zhì)量不變，在小車上安裝一薄板。實(shí)驗(yàn)近似得到的某時(shí)刻起小車vt圖像如圖（d）所示，由圖像可知小車運(yùn)動(dòng)過程中受到的阻力大?。ㄌ睢爸饾u變大”、“保持不變”或“逐漸變小”），據(jù)此可以得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是【答案】B0.440.34逐漸變大小車受到的空氣阻力隨速度增大而增大【詳解】（1）[1]電火花計(jì)時(shí)器有正負(fù)脈沖插座，用的是墨粉紙盤，故圖（b）中所示是電火花計(jì)時(shí)器。故選B。（2）[2]計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔打下計(jì)數(shù)點(diǎn)2時(shí)小車速度[3]由逐差法，小車加速度（3）[4]設(shè)繩的拉力為F，當(dāng)砝碼和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和薄板質(zhì)量時(shí)，可認(rèn)為繩的拉力為F等于砝碼和砝碼的總重力。由牛頓第二定律有由圖像可知，圖像斜率逐漸變小，所以加速度逐漸變小。a在變小，說明f在變大。[5]據(jù)此可以得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是小車受到的空氣阻力隨速度增大而增大。2．下圖為驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。圖中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源頻率為的交流電源，打點(diǎn)的時(shí)間間隔用表示。在小車質(zhì)量未知的情況下，某同學(xué)設(shè)計(jì)了一種方法用來探究“在外力一定的條件下，物體的加速度與其質(zhì)量間的關(guān)系”。（1）完成下列實(shí)驗(yàn)步驟中的空格部分：①補(bǔ)償小車所受的阻力：撤去小吊盤，調(diào)整木板右端的高度，用手輕推小車，直到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列的點(diǎn)。（填“均勻”或“不均勻”）②按住小車，在小吊盤中放入適當(dāng)質(zhì)量的物塊（小吊盤和物塊的總質(zhì)量比小車的質(zhì)量小得多），在小車中放入砝碼。③打開打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源，釋放小車，獲得帶有點(diǎn)的紙帶，在紙帶上標(biāo)出小車中砝碼的質(zhì)量。④按住小車，改變小車中砝碼的質(zhì)量，重復(fù)步驟③．⑤在每條紙帶上清晰的部分，每5個(gè)間隔標(biāo)注一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)。測量相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)的間距…。求出與不同相對應(yīng)的加速度。⑥以砝碼的質(zhì)量為橫坐標(biāo)，為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上作出關(guān)系圖線。若加速度與小車和砝碼的總質(zhì)量成反比，則與應(yīng)成關(guān)系（填“線性”或“非線性”）。（2）完成下列的問題：（i）上圖為實(shí)驗(yàn)過程中的某一條紙帶，由此可知小車的加速度（結(jié)果保留2位有效數(shù)字）。（ii）下圖為根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得數(shù)據(jù)繪制的圖像。設(shè)圖中直線的斜率為，在縱軸上的截距為，若牛頓第二定律成立，則小車受到的拉力為，小車的質(zhì)量為?！敬鸢浮烤鶆蚓€性0.50【詳解】（1）①[1]補(bǔ)償小車所受的阻力：撤去小吊盤，調(diào)整木板右端的高度，用手輕推小車，直到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列均勻的點(diǎn)。⑥[2]若加速度與小車和砝碼的總質(zhì)量成反比，即可得則與應(yīng)成線性關(guān)系。（i）[3]可知小車的加速度（ii）[4][5]根據(jù)結(jié)合圖像可知解得3．為了探究物體質(zhì)量一定時(shí)加速度與力的關(guān)系，小明同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖（a）所示的實(shí)驗(yàn)裝置，其中為小車的質(zhì)量，為砂和砂桶的總質(zhì)量，為滑輪的質(zhì)量，力傳感器可測出輕繩中的拉力大小。（1）下列關(guān)于實(shí)驗(yàn)操作說法正確的是A．需要用天平測砂和砂桶的總質(zhì)量m

B．需要保證細(xì)線與木板平行C．需要先釋放小車，再接通電源

D．需要平衡小車所受滑動(dòng)摩擦力（2）為了完成該實(shí)驗(yàn)（填“需要”或“不需要”）使砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。（3）某次實(shí)驗(yàn)得到如圖（b）所示的紙帶，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的交流電源頻率為50Hz，相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有四個(gè)點(diǎn)未畫出，則C點(diǎn)速度為m/s，小車運(yùn)動(dòng)的加速度大小為（結(jié)果均保留三位有效數(shù)字）；（4）由實(shí)驗(yàn)得到小車加速度a與力傳感器示數(shù)F的關(guān)系如圖（c）所示，圖線未過坐標(biāo)原點(diǎn)的原因是，由圖可知小車的質(zhì)量為?！敬鸢浮緽D不需要0.7222.40小車未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足0.5【詳解】（1）[1]A．因?yàn)橛辛鞲衅鳒y量小車受的拉力，則不需要用天平測砂和砂桶的總質(zhì)量m，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；B．需要保證細(xì)線與木板平行，這樣細(xì)繩的拉力才等于小車受到的合力，選項(xiàng)B正確；C．需要先接通電源，再釋放小車，選項(xiàng)C錯(cuò)誤；D．實(shí)驗(yàn)中需要平衡小車所受滑動(dòng)摩擦力，選項(xiàng)D正確。故選BD。（2）[2]因?yàn)橛辛鞲衅鳒y量小車受的拉力，則實(shí)驗(yàn)不需要使砂和砂桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。（3）[3]相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有四個(gè)點(diǎn)未畫出，則T=0.1s，C點(diǎn)速度為[4]小車運(yùn)動(dòng)的加速度大小為（4）[5]由圖像可知，當(dāng)力F增加到一定值時(shí)小車才開始有加速度，可知圖線未過坐標(biāo)原點(diǎn)的原因是小車未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足；[6]根據(jù)可得由圖可知小車的質(zhì)量為4．如圖，為驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，連接在小車后面的紙帶穿過電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，小車和掛在豎直面內(nèi)的拉力傳感器，用一條柔軟的輕繩通過光滑的定滑輪和動(dòng)滑輪連接起來，拉力傳感器是一種將物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號裝置，用于測小車受到拉力的大小。則：（1）在安裝實(shí)驗(yàn)器材時(shí)，要調(diào)整定滑輪的高度，使拴小車的輕繩與木板平行。這樣做的目的是（選填字母代號）。A．防止打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)痕不清晰B．保證小車最終能夠?qū)崿F(xiàn)勻速直線運(yùn)動(dòng)C．在平衡摩擦力后使輕繩拉力等于小車受到的合力D．防止小車在木板上的運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生抖動(dòng)（2）實(shí)驗(yàn)中（選填“需要”或“不需要”）滿足所掛鉤碼質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量M。（3）第一實(shí)驗(yàn)小組在實(shí)驗(yàn)中得到了一條紙帶，用毫米刻度尺測量并在紙帶上標(biāo)出了這部分的長度，相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖所示，相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)未標(biāo)出，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的低壓交流電源的頻率為50Hz，根據(jù)圖中數(shù)據(jù)計(jì)算出在紙帶上打下B點(diǎn)時(shí)的速度為m/s，紙帶的加速度大小為（計(jì)算結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字）。（4）第二實(shí)驗(yàn)小組根據(jù)測量數(shù)據(jù)作出的圖像，如圖所示，該組同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時(shí)存在的問題是?！敬鸢浮緾不需要1.01.5沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠【詳解】（1）[1]在安裝實(shí)驗(yàn)器材時(shí)，要調(diào)整定滑輪的高度，使拴小車的輕繩與木板平行。這樣做的目的是：在平衡摩擦力后使輕繩拉力等于小車受到的合力。故選C。（2）[2]根據(jù)裝置圖可知，細(xì)線拉力可通過力傳感器測得，所以實(shí)驗(yàn)中不需要滿足所掛鉤碼質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量M。（3）[3]相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)未標(biāo)出，可知相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)的時(shí)間間隔為則在紙帶上打下B點(diǎn)時(shí)的速度為[4]根據(jù)逐差法可得，可得加速度大小為（4）[5]根據(jù)圖像可知，當(dāng)拉力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，才有加速度，所以該組同學(xué)做實(shí)驗(yàn)