适用于新教材2024版高考物理一轮总复习第3章牛顿运动定律实验探究课4探究加速度与力质量的关系课件

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一、实验目的1.学会用控制变量法研究物理量的关系。2.探究加速度与力、质量的关系。3.掌握利用图像处理数据的方法。二、实验器材打点计时器、纸带、小车、一端附有定滑轮的长木板、槽码、夹子、细绳、交变电源、导线、天平、刻度尺、砝码。
三、实验思路(一)控制变量法的应用将小车置于水平木板上,用细绳通过滑轮与槽码相连,小车可以在槽码的牵引下运动。1.保持小车质量不变,研究加速度与力的关系。2.保持小车所受的拉力不变,研究加速度与质量的关系。
(二)物理量的测量1.用天平测量质量:为了改变小车的质量,可以在小车中增减砝码的数量。2.将打点计时器的纸带连在小车上,根据纸带上打出的点来测量加速度。3.现实中,仅受一个力作用的物体几乎不存在。然而,一个单独的力的作用效果与跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的。因此,实验中作用力F的含义可以是物体所受的合力。用阻力补偿法确定小车受到的合力——槽码的牵引力。
四、进行实验1.称量质量——用天平测量槽码和小车的质量。2.安装器材——按如图所示装置安装器材(暂时不把悬挂槽码的细绳系在小车上)。　　　　　　　 使细绳的拉力等于小车所受合力3.阻力补偿法平衡摩擦及其他阻力——在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块,反复移动薄木块的位置,直至小车能拉着纸带匀速下滑。 纸带上所打点均匀为标志
4.测量加速度(1)保持小车的质量不变,打出一条纸带。计算槽码的重力,由纸带计算出小车的加速度,填入表中。改变槽码的个数,多做几次实验。(2)保持槽码个数不变,在小车上放上砝码改变小车的质量,让小车在木板上滑动打出纸带。计算砝码和小车的总质量,并由纸带计算出小车对应的加速度,填入表中。改变小车上砝码的个数,多做几次实验。
五、数据分析1.利用Δx=aT2及逐差法求a。2.以a为纵坐标,F为横坐标,根据各组数据描点,如果这些点在一条过原点的直线上,说明a与F成正比。3.以a为纵坐标, 为横坐标,描点、连线,如果该线为过原点的直线,就能判定a与m成反比。六、误差分析1.实验原理不完善:本实验用槽码所受的重力代替小车所受的拉力,而实际上小车所受的拉力要小于槽码所受的重力。2.摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。
七、其他方案概述方案:通过位移之比测量加速度之比如图所示,将两辆相同的小车放在水平木板上,前端各系一条细线,线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘中可以放不同的重物。把木板一端垫高,参考前面的阻力补偿法补偿阻力的影响,两小车后端各系一条细线,用一个物体,例如黑板擦,把两条细线同时按压在木板上。抬起黑板擦,两小车同时开始运动,按下黑板擦,两小车同时停下来。用刻度尺测出两小车移动的位移x1、x2。由于两小车运动时间t相同,从它们的位移之比就可以得出加速度之比。完成上述实验后,在盘中重物相同的情况下,通过增减小车中的重物改变小车的质量,再进行实验。
易错辨析·判一判(1)平衡摩擦力时不能在细绳的另一端挂槽码。(　√　)(2)平衡摩擦力必须让小车连上纸带,且让打点计时器处于工作状态。(　√　)(3)平衡摩擦力时可根据纸带上的点迹是否均匀来判断。(　√　)(4)换小车不用重新平衡摩擦力。(　×　)(5)只有槽码的质量比小车的质量小得多时,线上的拉力才视为等于槽码所受的重力。(　√　)(6)每次放砝码于小车上改变小车质量时都需重新平衡摩擦力。(　×　)
典例1.在探究加速度与物体受力、物体质量的关系的实验中,做如下探究:(1)为猜想加速度与质量的关系,可利用图甲所示的装置进行对比实验。两小车放在水平板上,前端通过钩码牵引,后端各系一条细线,用板擦把两条细线按在桌上,使小车静止。抬起板擦,小车同时运动,一段时间后按下板擦,小车同时停下。对比两小车的位移,可知加速度与质量大致成反比。关于实验条件,下列说法正确的是　　　(选填选项前的字母)。 A.小车质量相同,钩码质量不同B.小车质量不同,钩码质量相同C.小车质量不同,钩码质量不同
(2)某同学为了定量验证(1)中得到的初步关系,设计实验并得到小车加速度a与质量m的7组实验数据,如下表所示。在图乙所示的坐标纸上已经描好了6组数据点,请将余下的一组数据描在坐标纸上,并作出a- 图像。
(3)用如图丙所示的装置做探究加速度与力的关系的实验之前,需要思考如何测“力”。为了简化“力”的测量,下列说法正确的是　　　　　(选填选项前的字母)。 丙A.使小车沿倾角合适的斜面运动,小车受力可等效为只受绳的拉力B.若斜面倾角过大,小车所受合力将小于绳的拉力C.无论小车运动的加速度多大,砂和桶所受的重力都等于绳的拉力D.让小车的运动趋近于匀速运动,砂和桶所受的重力才近似等于绳的拉力
思维点拨 由实验原理找实验器材,由实验原理找数据处理方法和进行误差分析。答案 (1)B　(2)见解析图　(3)A解析 (1)为了探究加速度与质量的关系,必须控制小车所受拉力相同,而让小车的质量不同,所以钩码质量相同,故B正确。(2)数据描点和a- 图像如图所示
(3)使小车沿倾角合适的斜面运动,小车所受重力沿斜面的分力刚好等于小车所受的摩擦力,则小车受力可等效为只受绳的拉力,故A正确;若斜面倾角过大,重力沿斜面的分力大于摩擦力,小车所受合力将大于绳的拉力,不利于简化“力”的测量,故B错误;由牛顿第二定律可知,无论小车运动的加速度多大,砂和桶所受的重力都大于绳的拉力,故C错误;当小车的质量远大于砂和桶的质量时,砂和桶所受的重力近似等于绳的拉力,故D错误。
对点演练1.(2023山东青岛二模)图甲是某研究性学习小组探究小车加速度与力关系的实验装置,长木板置于水平桌面上,一端系有砂桶的轻绳通过滑轮与固定的拉力传感器相连,拉力传感器可显示绳中拉力F的大小,改变桶中砂的质量进行多次实验,当地的重力加速度g取9.8 m/s2。回答下列问题:
(1)实验时,下列操作或说法正确的是　　　。 A.需要用天平测出砂和砂桶的总质量B.实验时必须首先平衡摩擦力C.实验中无须保证砂和砂桶的质量远小于小车的质量(2)实验中得到一条纸带如图乙所示,其中A、B、C为相邻的计数点,相邻两计数点间有4个计时点未标出,各计数点到O点的距离在图乙中标出。电源的频率为50 Hz,则由纸带可知小车的加速度大小为　　　　 m/s2。(保留三位有效数字) (3)以拉力传感器的示数F为横坐标,小车的加速度a为纵坐标,画出a-F图像,测得图线的斜率为k,则小车的质量为　　　。 (4)该小组同学不断增加砂子质量重复实验,发现小车的加速度最后会趋近于某一数值,从理论上分析可知,该数值应为　　　　 m/s2。 
解析 (1)本实验可以通过拉力传感器获取小车所受拉力的大小,不需要用砂和砂桶的重力近似替代,所以既不需要用天平测出砂和砂桶的总质量,也无须保证砂和砂桶的质量远小于小车的质量,故A错误,C正确;为使小车所受合外力等于绳对小车的拉力,实验时必须首先平衡摩擦力,故B正确。(2)根据逐差法可得小车的加速度大小为
(4)设砂和砂桶的质量为m,加速度大小为a',对砂和砂桶,根据牛顿第二定律有mg-F=ma'根据动滑轮自由端与滑轮移动的距离关系可知a'=2a
典例2.(2020山东卷)2020年5月,我国进行了珠穆朗玛峰的高度测量,其中一种方法是通过使用重力仪测量重力加速度,进而间接测量海拔高度。某同学受此启发就地取材设计了如下实验,测量当地重力加速度的大小。实验步骤如下:(ⅰ)如图甲所示,选择合适高度的垫块,使木板的倾角为53°,在其上表面固定一与小物块下滑路径平行的刻度尺(图中未画出)。
(ⅱ)调整手机使其摄像头正对木板表面,开启视频录像功能。将小物块从木板顶端释放,用手机记录下小物块沿木板向下做加速直线运动的情况。然后通过录像的回放,选择小物块运动路径上合适的一点作为测量参考点,得到小物块相对于该点的运动距离L与运动时间t的数据。(ⅲ)该同学选取部分实验数据,画出了 -t图像,利用图像数据得到小物块下滑的加速度大小为5.6 m/s2。(ⅳ)再次调节垫块,改变木板的倾角,重复实验。
回答以下问题:(1)当木板的倾角为37° 时,所绘图像如图乙所示。由图像可得,物块过测量参考点时速度的大小为　　　　 m/s;选取图线上位于坐标纸网格交叉点上的A、B两点,利用A、B两点数据得到小物块下滑加速度的大小为　　　　 m/s2。(结果均保留2位有效数字) (2)根据上述数据,进一步分析得到当地的重力加速度大小为　　　　 m/s2。(结果保留2位有效数字,sin 37°=0.60,cs 37°=0.80) 
答案 (1)0.32(或0.33)　3.1　(2)9.4
对点演练2.(2022山东卷)在天宫课堂中,我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验。受此启发,某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材设计了测量物体质量的实验,如图甲所示。
主要步骤如下:①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上,加速度传感器固定在滑块上。②接通气源,放上滑块,调平气垫导轨。③将弹簧左端连接力传感器,右端连接滑块。弹簧处于原长时滑块左端位于O点,A点到O点的距离为5.00 cm,拉动滑块使其左端处于A点,由静止释放并开始计时。④计算机采集获取数据,得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像,部分图像如图乙所示。
回答以下问题(结果均保留两位有效数字):(1)弹簧的劲度系数为　　　　 N/m。 (2)该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据,画出a-F图像如图丙中Ⅰ所示,由此可得滑块与加速度传感器的总质量为　　　　 kg。 (3)该同学在滑块上增加待测物体,重复上述实验步骤,在图丙中画出新的a-F图像Ⅱ,则待测物体的质量为　　　　 kg。 答案 (1)12　(2)0.20　(3)0.13