2025年高考物理復(fù)習(xí)講義第三章實驗四　探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系（含解析）

實驗四探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系●注意事項1．平行：安裝器材時，要調(diào)整滑輪的高度，使拴小車的細繩與木板平行．2．平衡摩擦力：不懸掛槽碼，但小車連著紙帶．3．不重復(fù)：改變槽碼的質(zhì)量后不重復(fù)平衡摩擦力．4．實驗條件：M?m，槽碼的重力才可視為小車受到的拉力．5．一先一后一按?。合冉油娫?，后釋放小車，且在小車到達滑輪前按住小車．6．作圖：作圖時兩軸標(biāo)度比例要適當(dāng)，各量須采用國際單位．●誤差分析1．因?qū)嶒炘聿煌晟埔鸬恼`差：本實驗用槽碼的重力mg代替小車的拉力，而實際上小車所受的拉力要小于槽碼的重力．2．摩擦力平衡不準(zhǔn)確、質(zhì)量測量不準(zhǔn)確、計數(shù)點間距測量不準(zhǔn)確、紙帶和細繩不嚴格與木板平行都會引起誤差．考點教材原型實驗典例(2024·湖北武漢質(zhì)檢)如圖甲所示為“探究加速度與物體受力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗裝置圖．圖甲中A為小車，B為裝有砝碼的小桶，C為一端帶有定滑輪的長木板，小車通過紙帶與電火花打點計時器相連，打點計時器接50Hz交流電．小車的質(zhì)量為m1，小桶(及砝碼)的質(zhì)量為m2.(1)下列說法正確的是________．A．每次改變小車質(zhì)量時，應(yīng)重新平衡摩擦力B．實驗時應(yīng)先釋放小車后接通電源C．本實驗m1應(yīng)遠大于m2D．在用圖像探究加速度與質(zhì)量關(guān)系時，應(yīng)作a-eq\f(1,m1)圖像(2)實驗時，某同學(xué)由于疏忽，遺漏了平衡摩擦力這一步驟，他測量得到的a-F圖像，可能是圖乙中的圖線________(填“①”“②”或“③”)．(3)如圖丙所示為一次記錄小車運動情況的紙帶的一部分，從比較清晰的點跡起，在紙帶上標(biāo)出了連續(xù)的5個計數(shù)點A、B、C、D、E，相鄰兩個計數(shù)點之間都有4個點跡沒有標(biāo)出，測出各計數(shù)點到A點之間的距離．則此次實驗中小車運動的加速度的測量值a＝________m/s2.(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)(4)如圖丁所示，探究a-F圖像時，發(fā)現(xiàn)在AB段明顯偏離直線，此誤差的主要原因是________．A．小車與木板之間存在摩擦B．小桶(含砝碼)的質(zhì)量太大C．所用小車質(zhì)量太大變式“探究質(zhì)量一定時，加速度與力的關(guān)系”的實驗裝置如圖甲所示，實驗中通過傳感器將細線中拉力大小的信息傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用打點計時器打出的紙帶求出小車運動的加速度．(1)下列說法中正確的是________．A．細線不需要與長木板平行B．電火花打點計時器和電磁打點計時器都需要交流電源C．實驗時應(yīng)先釋放小車再接通打點計時器的電源D．托盤和砝碼的總質(zhì)量應(yīng)遠小于小車(及車內(nèi)載重)的質(zhì)量(2)實驗中得到一條打點清晰的紙帶如圖乙所示，A、B、C、D、E是計數(shù)點，相鄰兩個計數(shù)點間都有4個計時點沒有標(biāo)出，已知交變電流的頻率為50Hz，則這條紙帶記錄小車的加速度大小為________m/s2(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)．(3)本實驗中，是否需要平衡摩擦力？________(填“需要”或“不需要”)．考點實驗的創(chuàng)新與改進實驗原理創(chuàng)新(1)利用力傳感器可得輕繩上拉力大?。?2)將探究加速度與合力的關(guān)系轉(zhuǎn)化為探究加速度與力傳感器的示數(shù)的關(guān)系實驗情境創(chuàng)新(1)用光電門代替打點計時器，結(jié)合遮光條的寬度可測滑塊的速度．(2)利用氣墊導(dǎo)軌代替長木板，無需平衡摩擦力．(3)由力傳感器測滑塊的拉力，無需滿足m?M實驗?zāi)康膭?chuàng)新(1)結(jié)合光電門得出物塊在A、B兩點的速度，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摩擦因數(shù)1．[實驗情境創(chuàng)新]小明利用“研究加速度與外力關(guān)系”的實驗裝置來測量滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ.如圖甲所示，長木板固定在水平桌面上，打點計時器固定在長木板上，紙帶穿過打點計時器，與帶滑輪的滑塊相連．沙桶和力傳感器通過繞在滑輪上的細繩相連．調(diào)整沙桶的質(zhì)量，當(dāng)放開沙桶時，使滑塊在木板上做勻加速直線運動(重力加速度為g，滑輪的質(zhì)量和摩擦可以忽略)．保持滑塊質(zhì)量m不變，給沙桶添加少量細沙改變力傳感器的示數(shù)F，利用打點計時器打出的紙帶求出對應(yīng)F時的加速度a，從而得到如圖乙所示的a-F圖像，通過圖像可以知道：(1)滑塊的質(zhì)量為________kg.(保留2位有效數(shù)字)(2)利用測得的物理量寫出動摩擦因數(shù)的表達式：μ＝________；由圖像可得滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ＝________.(取g＝10m/s2，保留2位有效數(shù)字)(3)實驗中打出的一條紙帶如圖丙所示，實驗中電源頻率為50Hz，圖中A、B、C、D、E為相鄰的計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間有4個計時點未標(biāo)出，則可求得小車的加速度a＝________m/s2.(計算結(jié)果保留2位有效數(shù)字)2．[實驗?zāi)康膭?chuàng)新]某同學(xué)利用測質(zhì)量的小型家用電子秤，設(shè)計了測量木塊和木板間動摩擦因數(shù)μ的實驗．如圖(a)所示，木板和木塊A放在水平桌面上，電子秤放在水平地面上，木塊A和放在電子秤上的重物B通過跨過定滑輪的輕繩相連．調(diào)節(jié)滑輪，使其與木塊A間的輕繩水平，與重物B間的輕繩豎直．在木塊A上放置n(n＝0,1,2,3,4,5)個砝碼(電子秤稱得每個砝碼的質(zhì)量m0為20.0g)，向左拉動木板的同時，記錄電子秤的對應(yīng)示數(shù)m.eq\a\vs4\al(圖a)eq\a\vs4\al(圖b)(1)實驗中，拉動木板時________(填“必須”或“不必”)保持勻速．(2)用mA和mB分別表示木塊A和重物B的質(zhì)量，則m和mA、mB、m0、μ、n所滿足的關(guān)系式為m＝________________.(3)根據(jù)測量數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪制出m－n圖像，如圖(b)所示，可得木塊A和木板間的動摩擦因數(shù)μ＝________(保留2位有效數(shù)字)．答案及解析考點教材原型實驗典例(2024·湖北武漢質(zhì)檢)如圖甲所示為“探究加速度與物體受力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗裝置圖．圖甲中A為小車，B為裝有砝碼的小桶，C為一端帶有定滑輪的長木板，小車通過紙帶與電火花打點計時器相連，打點計時器接50Hz交流電．小車的質(zhì)量為m1，小桶(及砝碼)的質(zhì)量為m2.(1)下列說法正確的是________．A．每次改變小車質(zhì)量時，應(yīng)重新平衡摩擦力B．實驗時應(yīng)先釋放小車后接通電源C．本實驗m1應(yīng)遠大于m2D．在用圖像探究加速度與質(zhì)量關(guān)系時，應(yīng)作a-eq\f(1,m1)圖像(2)實驗時，某同學(xué)由于疏忽，遺漏了平衡摩擦力這一步驟，他測量得到的a-F圖像，可能是圖乙中的圖線________(填“①”“②”或“③”)．(3)如圖丙所示為一次記錄小車運動情況的紙帶的一部分，從比較清晰的點跡起，在紙帶上標(biāo)出了連續(xù)的5個計數(shù)點A、B、C、D、E，相鄰兩個計數(shù)點之間都有4個點跡沒有標(biāo)出，測出各計數(shù)點到A點之間的距離．則此次實驗中小車運動的加速度的測量值a＝________m/s2.(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)(4)如圖丁所示，探究a-F圖像時，發(fā)現(xiàn)在AB段明顯偏離直線，此誤差的主要原因是________．A．小車與木板之間存在摩擦B．小桶(含砝碼)的質(zhì)量太大C．所用小車質(zhì)量太大解析：(1)每次改變小車質(zhì)量時，不需要重新平衡摩擦力，選項A錯誤．實驗時應(yīng)先接通電源后釋放小車，選項B錯誤．實驗中為了保證小桶及砝碼的重力等于繩子的拉力，需要滿足m1遠大于m2，選項C正確．由于加速度與質(zhì)量成反比，作a-m1圖像無法直觀地看出a與m1的定量關(guān)系，所以為了得出線性關(guān)系需要作a-eq\f(1,m1)圖像，選項D正確．(2)若遺漏了平衡摩擦力這一步驟，則F增加到一定值時，小車才有加速度，即圖線與橫軸正半軸有交點，可知a-F圖像可能是題圖乙中的圖線③.(3)根據(jù)Δx＝aT2，運用逐差法得a＝eq\f(xCE－xAC,4T2)＝eq\f(21.60－8.79－8.79,4×0.01)×10－2m/s2＝1.0m/s2.(4)以小車與小桶(含砝碼)組成的系統(tǒng)為研究對象，系統(tǒng)所受的合外力等于小桶(含砝碼)的重力m2g，有m2g＝(m1＋m2)a，小車的加速度a＝eq\f(m2g,m1＋m2)，小車受到的拉力F＝m1a＝eq\f(m1,m1＋m2)m2g，當(dāng)m2?m1時，可以認為小車受到的合力等于小桶(含砝碼)的重力，如果小桶(含砝碼)的質(zhì)量太大，則小車受到的合力小于小桶(含砝碼)的重力，實驗誤差較大，a-F圖像偏離直線，故B正確．答案：(1)CD(2)③(3)1.0(4)B變式“探究質(zhì)量一定時，加速度與力的關(guān)系”的實驗裝置如圖甲所示，實驗中通過傳感器將細線中拉力大小的信息傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用打點計時器打出的紙帶求出小車運動的加速度．(1)下列說法中正確的是________．A．細線不需要與長木板平行B．電火花打點計時器和電磁打點計時器都需要交流電源C．實驗時應(yīng)先釋放小車再接通打點計時器的電源D．托盤和砝碼的總質(zhì)量應(yīng)遠小于小車(及車內(nèi)載重)的質(zhì)量(2)實驗中得到一條打點清晰的紙帶如圖乙所示，A、B、C、D、E是計數(shù)點，相鄰兩個計數(shù)點間都有4個計時點沒有標(biāo)出，已知交變電流的頻率為50Hz，則這條紙帶記錄小車的加速度大小為________m/s2(結(jié)果保留2位有效數(shù)字)．(3)本實驗中，是否需要平衡摩擦力？________(填“需要”或“不需要”)．解析：(1)為使小車所受合力等于細線的拉力，細線需要與長木板平行，A錯誤；電火花打點計時器和電磁打點計時器都需要使用交流電源，B正確；實驗時應(yīng)先接通打點計時器的電源，待打點穩(wěn)定后再釋放小車，C錯誤；由于本實驗中，力傳感器能直接測得細線對小車的拉力大小，故不需要滿足托盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于小車(及車內(nèi)載重)的質(zhì)量，D錯誤．(2)由于相鄰兩個計數(shù)點間有4個計時點未標(biāo)出，故相鄰計數(shù)點的時間間隔T＝5×0.02s＝0.1s，由Δx＝aT2可得，小車的加速度大小a＝eq\f(xCE－xAC,4T2)＝eq\f(2.39＋3.03－1.14＋1.76,4×0.12)×10－2m/s2＝0.63m/s2.(3)為使細線的拉力等于小車所受的合外力，實驗時需要平衡摩擦力．答案：(1)B(2)0.63(3)需要/高/分/技/法1．在本實驗中，必須平衡摩擦力，在平衡摩擦力時，不要把盤和重物系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著紙帶運動．2．在本實驗中，力傳感器能直接測得細線對小車的拉力大小，故不需要滿足盤和重物的總質(zhì)量遠小于小車(及車內(nèi)載重)的質(zhì)量．改變小車的質(zhì)量或拉力的大小時，改變量可適當(dāng)大一些，若沒有力傳感器，應(yīng)滿足盤和重物的總質(zhì)量遠小于小車(及車內(nèi)載重)的總質(zhì)量．盤和重物的總質(zhì)量不超過小車和車上砝碼總質(zhì)量的10%為宜．考點實驗的創(chuàng)新與改進1．[實驗情境創(chuàng)新]小明利用“研究加速度與外力關(guān)系”的實驗裝置來測量滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ.如圖甲所示，長木板固定在水平桌面上，打點計時器固定在長木板上，紙帶穿過打點計時器，與帶滑輪的滑塊相連．沙桶和力傳感器通過繞在滑輪上的細繩相連．調(diào)整沙桶的質(zhì)量，當(dāng)放開沙桶時，使滑塊在木板上做勻加速直線運動(重力加速度為g，滑輪的質(zhì)量和摩擦可以忽略)．保持滑塊質(zhì)量m不變，給沙桶添加少量細沙改變力傳感器的示數(shù)F，利用打點計時器打出的紙帶求出對應(yīng)F時的加速度a，從而得到如圖乙所示的a-F圖像，通過圖像可以知道：(1)滑塊的質(zhì)量為________kg.(保留2位有效數(shù)字)(2)利用測得的物理量寫出動摩擦因數(shù)的表達式：μ＝________；由圖像可得滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ＝________.(取g＝10m/s2，保留2位有效數(shù)字)(3)實驗中打出的一條紙帶如圖丙所示，實驗中電源頻率為50Hz，圖中A、B、C、D、E為相鄰的計數(shù)點，相鄰計數(shù)點間有4個計時點未標(biāo)出，則可求得小車的加速度a＝________m/s2.(計算結(jié)果保留2位有效數(shù)字)解析：(1)根據(jù)牛頓第二定律2F－μmg＝ma化簡得a＝eq\f(2,m)·F－μga-F圖像的斜率k＝eq\f(3.00－0,4.0－1.0)kg－1＝1.0kg－1結(jié)合a-F函數(shù)，斜率k＝eq\f(2,m)代入數(shù)據(jù)解得m＝2.0kg.(2)根據(jù)牛頓第二定律2F－μmg＝ma動摩擦因數(shù)μ＝eq\f(2F－ma,mg)根據(jù)a-F圖像可知，當(dāng)a＝0時，F(xiàn)＝1.0N解得動摩擦因數(shù)μ＝eq\f(2F,mg)＝eq\f(2×1.0,2.0×10)＝0.10.(3)相鄰計數(shù)點之間的時間間隔T＝eq\f(5,f)＝eq\f(5,50)s＝0.1s根據(jù)“逐差法”，小車的加速度a＝eq\f(x3＋x4－x1－x2,4T2)＝eq\f(AE－AC－AC,4T2)代入數(shù)據(jù)解得a＝6.4m/s2.答案：(1)2.0(2)eq\f(2F－ma,mg)0.10(3)6.42．[實驗?zāi)康膭?chuàng)新]某同學(xué)利用測質(zhì)量的小型家用電子秤，設(shè)計了測量木塊和木板間動摩擦因數(shù)μ的實驗．如圖(a)所示，木板和木塊A放在水平桌面上，電子秤放在水平地面上，木塊A和放在電子秤上的重物B通過跨過定滑輪的輕繩相連．調(diào)節(jié)滑輪，使其與木塊A間的輕繩水平，與重物B間的輕繩豎直．在木塊A上放置n(n＝0,1,2,3,4,5)個砝碼(電子秤稱得每個砝碼的質(zhì)量m0為20.0g)，向左拉動木板的同時，記錄電子秤的對應(yīng)示數(shù)m.eq\a\vs4\al(圖a)eq\a\vs4\al(圖b)(1)實驗中，拉動木板時________(填“必須”或“不必”)保持勻速．(2)用mA和mB分別表示木塊A和重物B的質(zhì)量，則m和mA、mB、m0、μ