高考物理一輪復(fù)習(xí)講義專題3.3　本專題實(shí)驗(yàn)（解析版）

專題3.3本專題實(shí)驗(yàn)【講】【講核心素養(yǎng)】科學(xué)探究：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系（1）學(xué)會(huì)利用控制變量法來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。（2）體會(huì)補(bǔ)償思想在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。（3）會(huì)用紙帶、光電門等處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)【講考點(diǎn)題型】【知識(shí)點(diǎn)一】實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)會(huì)應(yīng)用控制變量法研究物理規(guī)律。（2）探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。（3）掌握利用圖像處理數(shù)據(jù)的方法。2.實(shí)驗(yàn)原理（1）控制變量法①保持質(zhì)量不變，探究加速度與合力的關(guān)系。②保持合力不變，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系。（2）求加速度a＝eq\f(x4＋x5＋x6－x1－x2－x3,9T2)或a＝eq\f(Δx,T2)。3.實(shí)驗(yàn)器材小車、砝碼、小盤、細(xì)繩、一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板、墊木、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、低壓交流電源、導(dǎo)線兩根、紙帶、天平、米尺。4.實(shí)驗(yàn)步驟（1）質(zhì)量的測(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（即不給小車施加牽引力）。（3）用阻力補(bǔ)償法測(cè)合力：在長(zhǎng)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(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的圖像。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－eq\f(1,m)圖像。5.注意事項(xiàng)（1）用阻力補(bǔ)償法測(cè)合力：適當(dāng)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平衡小車和紙帶受到的阻力。在用阻力補(bǔ)償法測(cè)合力時(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）不用重復(fù)用阻力補(bǔ)償法測(cè)合力。（3）實(shí)驗(yàn)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(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。6.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）用阻力補(bǔ)償法測(cè)合力不準(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。7.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)，描點(diǎn)、畫線，如果該線為過原點(diǎn)的直線，說明a與F成正比。（3）以a為縱坐標(biāo)，eq\f(1,m)為橫坐標(biāo)，描點(diǎn)、畫線，如果該線為過原點(diǎn)的直線，就能判定a與m成反比?！痉椒偨Y(jié)】1．平衡摩擦力：平衡摩擦力時(shí)，要調(diào)出一個(gè)合適的斜面，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受的摩擦阻力。此時(shí)，不要把懸掛小盤的細(xì)線系在小車上，即不要給小車給任何牽引力，要讓小車拖著紙帶勻速運(yùn)動(dòng)。2．實(shí)驗(yàn)條件：M?m。只有如此，小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力。3．一先一后：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，后放開小車，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車?！纠?】（2020·浙江·高考真題）做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時(shí)，圖甲是教材中的實(shí)驗(yàn)方案；圖乙是拓展方案，其實(shí)驗(yàn)操作步驟如下：（?。焐贤斜P和砝碼，改變木板的傾角，使質(zhì)量為M的小車拖著紙帶沿木板勻速下滑；（ⅱ）取下托盤和砝碼，測(cè)出其總質(zhì)量為m，讓小車沿木板下滑，測(cè)出加速度a；（ⅲ）改變砝碼質(zhì)量和木板傾角，多次測(cè)量，通過作圖可得到SKIPIF1<0的關(guān)系。①實(shí)驗(yàn)獲得如圖所示的紙帶，計(jì)數(shù)點(diǎn)a、b、c、d、e、f間均有四個(gè)點(diǎn)未畫出，則在打d點(diǎn)時(shí)小車的速度大小SKIPIF1<0_____SKIPIF1<0（保留兩位有效數(shù)字）；②需要滿足條件SKIPIF1<0的方案是_____（選填“甲”、“乙”或“甲和乙”）；在作SKIPIF1<0圖象時(shí)，把SKIPIF1<0作為F值的是_____（選填“甲”、“乙”或“甲和乙”）?！敬鸢浮?/p>

0.18～0.19

甲

甲和乙【解析】①．打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)周期SKIPIF1<0由勻加速直線運(yùn)動(dòng)中，平均速度等于中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度可得，在打d點(diǎn)時(shí)小車的速度SKIPIF1<0②．在圖甲的實(shí)驗(yàn)方案中，由托盤和砝碼的重力提供拉力，讓小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律可得SKIPIF1<0則SKIPIF1<0則繩子對(duì)小車的拉力SKIPIF1<0當(dāng)SKIPIF1<0時(shí)，繩子拉力近似等于托盤和砝碼的重力。故甲需要滿足SKIPIF1<0。在圖乙的實(shí)驗(yàn)方案中，掛上托盤和砝碼，小車勻速下滑，設(shè)斜面的傾斜角為SKIPIF1<0，斜面和紙帶對(duì)小車的摩擦力或阻力總和為f，則有SKIPIF1<0取下托盤和砝碼，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律可得SKIPIF1<0即SKIPIF1<0故乙方案中，不需要滿足SKIPIF1<0。在甲乙方案中，均用托盤和砝碼的重力mg作為小車勻加速的直線運(yùn)動(dòng)的合力及F?！舅仞B(yǎng)升華】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)探究。要求考生能準(zhǔn)確理解實(shí)驗(yàn)原理明確實(shí)驗(yàn)的操作步驟。【必備知識(shí)】本實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)是測(cè)量小車的合力，實(shí)驗(yàn)通過兩個(gè)“替代”關(guān)系測(cè)量小車的合力，使小車合力的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)懸掛物重力的測(cè)量。1．平衡摩擦力——用小車所受的拉力替代合力小車受力為重力、拉力、阻力、支持力，平衡摩擦力后，使重力、阻力和支持力的合力為零，則小車所受的拉力等于小車的合力。2．小車質(zhì)量（M）遠(yuǎn)大于懸掛物質(zhì)量（m）——用懸掛物重力替代小車所受的拉力由牛頓第二定律：系統(tǒng)加速度a＝eq\f(m,M＋m)g，小車所受的拉力F＝Ma＝Meq\f(mg,M＋m)＝eq\f(1,1＋\f(m,M))mg，顯然，當(dāng)M?m時(shí)，F(xiàn)≈mg。【變式訓(xùn)練1】2020·全國(guó)·高考真題）一細(xì)繩跨過懸掛的定滑輪，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3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3位有效數(shù)字）?？梢钥闯?，a′與a有明顯差異，除實(shí)驗(yàn)中的偶然誤差外，寫出一條可能產(chǎn)生這一結(jié)果的原因：__________?！敬鸢浮?/p>

1.84

1.96

滑輪的軸不光滑，繩和滑輪之間有摩擦（或滑輪有質(zhì)量）【解析】①有題意可知小球下降過程中做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，故根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式有SKIPIF1<0代入數(shù)據(jù)解得a=1.84m/s2；②根據(jù)牛頓第二定律可知對(duì)小球A有SKIPIF1<0對(duì)小球B有SKIPIF1<0帶入已知數(shù)據(jù)解得SKIPIF1<0；③在實(shí)驗(yàn)中繩和滑輪之間有摩擦?xí)斐蓪?shí)際計(jì)算值偏小?！局R(shí)點(diǎn)二】會(huì)分析實(shí)驗(yàn)拓展與創(chuàng)新高考實(shí)驗(yàn)題一般源于教材而不拘泥于教材，是在教材實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)新情境，通過改變實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)置題目，不脫離教材而又不拘泥于教材，體現(xiàn)開放性、探究性、設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾方面：實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡膭?chuàng)新1.實(shí)驗(yàn)器材的改進(jìn)：利用重力沿斜面方向的分力提供物塊加速下滑的動(dòng)力。2.設(shè)問方式的創(chuàng)新：利用牛頓第二定律測(cè)量物塊與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)。實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新利用位移傳感器與計(jì)算機(jī)相連，直接得出小車的加速度。1.用光電門代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，結(jié)合遮光條的寬度可測(cè)滑塊的速度。2.利用氣墊導(dǎo)軌代替長(zhǎng)木板，無需平衡摩擦力。3.由力傳感器測(cè)滑塊受到的拉力，無需滿足m?M。實(shí)驗(yàn)過程的創(chuàng)新1.結(jié)合光電門得出物塊在A、B兩點(diǎn)的速度，由veq\o\al(2,B)－veq\o\al(2,A)＝2ax得出物塊的加速度。2.結(jié)合牛頓第二定律mg－μMg＝（M＋m）a得出物塊與水平桌面間的動(dòng)摩擦因數(shù)?！纠?】（2021·湖南·高考真題）某實(shí)驗(yàn)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(guān)系。主要實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）用游標(biāo)卡尺測(cè)量墊塊厚度SKIPIF1<0，示數(shù)如圖（b）所示，SKIPIF1<0___________SKIPIF1<0；（2）接通氣泵，將滑塊輕放在氣墊導(dǎo)軌上，調(diào)節(jié)導(dǎo)軌至水平；（3）在右支點(diǎn)下放一墊塊，改變氣墊導(dǎo)軌的傾斜角度；（4）在氣墊導(dǎo)軌合適位置釋放滑塊，記錄墊塊個(gè)數(shù)SKIPIF1<0和滑塊對(duì)應(yīng)的加速度SKIPIF1<0；（5）在右支點(diǎn)下增加墊塊個(gè)數(shù)（墊塊完全相同），重復(fù)步驟（4），記錄數(shù)據(jù)如下表：SKIPIF1<0123456SKIPIF1<00.0870.1800.2600.4250.519根據(jù)表中數(shù)據(jù)在圖（c）上描點(diǎn)，繪制圖線___________。如果表中缺少的第4組數(shù)據(jù)是正確的，其應(yīng)該是___________SKIPIF1<0（保留三位有效數(shù)字）?！敬鸢浮?/p>

1.02

0.342【解析】（1）墊塊的厚度為h=1cm+2×0.1mm=1.02cm（5）繪制圖線如圖；根據(jù)SKIPIF1<0可知a與n成正比關(guān)系，則根據(jù)圖像可知，斜率SKIPIF1<0解得a=0.342m/s2【素養(yǎng)提升】本題考察的學(xué)科素養(yǎng)主要是科學(xué)思維。要求考生能在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)原理的理解上能遷移應(yīng)用并能借助數(shù)學(xué)邏輯推理得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。【變式訓(xùn)練2】（2020·北京·高考真題）在“探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)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(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。兩小車放在水平板上，前端通過鉤碼牽引，后端各系一條細(xì)線，用板擦把兩條細(xì)線按在桌上，使小車靜止。抬起板擦，小車同時(shí)運(yùn)動(dòng)，一段時(shí)間后按下板擦，小車同時(shí)停下。對(duì)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(shí)驗(yàn)條件，下列正確的是：________（選填選項(xiàng)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）某同學(xué)為了定量驗(yàn)證（1）中得到的初步關(guān)系，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并得到小車加速度SKIPIF1<0與質(zhì)量SKIPIF1<0的7組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如下表所示。在圖2所示的坐標(biāo)紙上已經(jīng)描好了6組數(shù)據(jù)點(diǎn)，請(qǐng)將余下的一組數(shù)據(jù)描在坐標(biāo)紙上，并作出SKIPIF1<0圖像______。次數(shù)1234567SKIPIF1<00.620.560.480.400.320.240.15SKIPIF1<00.250.290.330.400.500.711.00（3）在探究加速度與力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)之前，需要思考如何測(cè)“力”。請(qǐng)?jiān)趫D3中畫出小車受力的示意圖。為了簡(jiǎn)化“力”的測(cè)量，下列說法正確的是：__________（選填選項(xiàng)前的字母）。A．使小車沿傾角合適的斜面運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)趨近與勻速運(yùn)動(dòng)，砂和桶的重力才近似等于繩的拉力【答案】

B

AD【解析】（1）為了探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，必須控制小車所受拉