2018版高考物理配套文档：第三章 实验5 探究加速度与力、质量的关系 Word版含解析

[考试标准]

1．实验原理(见实验原理图)

(1)保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系．

(2)保持合外力不变，探究加速度与质量的关系．

(3)作出a－F图象和a－图象，确定其关系．

2．实验器材

小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、天平、米尺．

3．实验步骤

(1)测量：用天平测量小盘和砝码的质量m′和小车的质量m.

(2)安装：按照如实验原理图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)．

(3)平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，使小车能匀速下滑．

(4)操作：①小盘通过细绳绕过定滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车，取下纸带编号码．

②保持小车的质量m不变，改变砝码和小盘的质量m′，重复步骤①.

③在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.

④描点作图，作a－F的图象．

⑤保持砝码和小盘的质量m′不变，改变小车质量m，重复步骤①和③，作a－图象．

1．注意事项

(1)平衡摩擦力：适当垫高木板的右端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力．在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动．

(2)不重复平衡摩擦力．

(3)实验条件：m≫m′.

(4)一先一后一按：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后释放小车，且应在小车到达滑轮前按住小车．

2．误差分析

(1)因实验原理不完善引起的误差：本实验用小盘和砝码的总重力m′g代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力．

(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．

3．数据处理

(1)利用逐差法求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．

命题点一　教材原型实验

例1　某实验小组同学用如图1所示装置“探究加速度与力、质量的关系”．

图1

(1)在研究物体加速度与力的关系时，保持不变的物理量是________(只需填A或B)．

A．小车质量

B．塑料桶和桶中砝码的质量

(2)实验中，首先要平衡摩擦力，具体做法是________(只需填A或B)．

A．在塑料桶中添加砝码，使小车带着纸带匀速运动

B．取下塑料桶，垫起长木板的一端，使小车带着纸带匀速运动

(3)实验中要使小车的质量________(填“远大于”或“远小于”)塑料桶和桶中砝码的质量，才能认为细绳对小车的拉力等于塑料桶和砝码的重力．

解析　(1)该实验采用了“控制变量法”，即在研究加速度与质量、力之间的关系时，要保持另一个物理量不变，因此在研究物体加速度与力的关系时，保持不变的物理量是小车的质量，故A正确，B错误．

(2)为了使绳子的拉力等于小车的合外力，在进行实验之前要进行平衡摩擦力，具体做法是：适当垫高长木板不带定滑轮的一端，轻推未挂塑料桶的小车，恰使拖有纸带的小车匀速下滑．故A错误，B正确．

(3)设绳子上的拉力为F，对小车根据牛顿第二定律有：F＝Ma            ①

对塑料桶和砝码有：mg－F＝ma                                      ②

由①②解得：F＝＝

由此可知当M≫m时，才能认为塑料桶和砝码的重力等于绳子的拉力．

答案　(1)A　(2)B　(3)远大于

题组阶梯突破

1．在“探究加速度与力、质量的关系”实验时，已提供了小车、一端附有定滑轮的长木板、纸带、带小盘的细线、刻度尺、天平、导线．为了完成实验，还须从图2中选取实验器材，其名称是____________；并分别写出所选器材的作用________________．

图2

答案　学生电源、电磁打点计时器、钩码、砝码

学生电源为电磁打点计时器提供交流电源；电磁打点计时器记录小车运动的位置和时间；钩码用以改变小车的质量；砝码用以改变小车受到拉力的大小，还可以用于测量小车的质量

解析　电磁打点计时器用来打点计时，以便测定加速度，要配备4～6 V学生电源(交流电源)为其供电，通过改变砝码个数来改变拉力大小．钩码放在小车上来调节小车质量．

2．在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，必须采用________法；为了探究加速度与力的关系，应保持________不变；为了直观地判断加速度a与力F的数量关系，应该作出________图象(选填“a－F”或“a－”)．为了探究加速度与质量的关系，应保持________不变；为了直观地判断加速度a与质量m的数量关系，应作________图象(选填“a－m”或“a－”)．

答案　控制变量　m　a－F　F　a－

解析　为了探究加速度与力的关系，应保持m不变，为了直观地判断加速度a与力F的数量关系，应作出a－F图象．为了探究加速度与质量的关系，应保持F不变，为了直观地判断加速度a与质量m的数量关系，应作a－图象．

3．(2016·兴平市一模)在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，某小组同学实验时先正确平衡摩擦力，并利用钩码和小车之间连接的力传感器测出细线上的拉力，改变钩码的个数，确定加速度与细线上拉力F的关系．

(1)下列图象中能表示该同学实验结果的是________．

(2)某次实验中打出如图3所示的纸带(打点计时器电源的频率为50 Hz)，则这个加速度值a＝________m/s2(计算结果保留两位有效数字)

图3

答案　(1)A　(2)0.80

解析　(1)平衡摩擦力后，细线拉力等于合力，而加速度与合力成正比，其关系图线应该为直线，故选A；

(2)T＝5T0＝0.1 s，根据公式Δx＝aT2得：0.035 3－0.019 3＝2aT2

代入数据得到：a＝ m/s2＝0.80 m/s2.

命题点二　拓展创新实验

例2　(2016·连云港模拟)用图4甲所示的装置探究加速度与力、质量之间的关系，图乙是其俯视图．两个相同的小车放在光滑水平板上，车左端各系一条细绳，绳跨过定滑轮各挂一个相同的小盘，盘中可放砝码．两个小车右端通过细线用夹子固定，打开夹子，小车在小盘和砝码的牵引下运动，合上夹子，两小车同时停止．实验中可以通过在车中放砝码改变小车的质量．

图4

(1)探究“加速度与质量之间的关系”时，应在小盘中放质量________(选填“相同”或“不相同”)的砝码；

(2)实验中，两小车的加速度之比________(选填“大于”“等于”或“小于”)小车通过的位移之比．

解析　(1)探究“加速度与质量之间的关系”时，要保证拉力不变，则应在小盘中放质量相同的砝码．

(2)根据初速度为零的匀变速直线运动公式x＝at2，两车的位移之比等于加速度之比．

答案　(1)相同　(2)等于

题组阶梯突破

4．(2016·宿迁模拟)在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，某同学使用了如图5甲所示的装置．在实验过程中：

甲

乙

图5

(1)打点计时器应该与________(选填“交流”或“直流”)电源连接；在闭合开关前，将小车放置在________的一端(选填“靠近滑轮”或“靠近打点计时器”)．

(2)在探究过程中，该同学打出了一条纸带，并在纸带上连续取几个计数点，如图乙所示．自A点起，相邻两点间的距离分别为10.0 mm、16.0 mm、22.0 mm、28.0 mm.已知相邻计数点间的时间间隔为0.1 s，则打D点时小车的速度为________m/s，整个过程中小车的平均加速度为________ m/s2.

答案　(1)交流　靠近打点计时器　(2)0.25　0.6

解析　(1)打点计时器应该与交流电源连接，为充分利用纸带，应使小车停在靠近打点计时器处；

(2)根据中间时刻的速度等于平均速度得：vD＝＝ m/s＝0.25 m/s

根据题意可知，相邻两个计数点之间的距离之差

Δx＝16.0 mm－10.0 mm＝22.0 mm－16.0 mm＝28.0 mm－22.0 mm＝6 mm

则a＝＝ m/s2＝0.6 m/s2.

5．某同学利用如图6所示的装置进行“探究加速度与物体质量的关系”的实验．A为小车，B为打点计时器，C为装有砝码的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板．实验时，保证砝码和小桶的总质量m不变，改变小车质量M，分别测得小车的加速度a与对应的质量M的数据如下表：

图6

(1)根据上表数据，为进一步直观地反映F不变时，a与M的关系，在图7中选择适当的物理量为坐标轴建立坐标系，作出图线．

图7

(2)根据所绘的图线，计算砝码和小桶的总重力为________N，且表明该同学在实验操作中最可能存在的问题：_____________________________________________________________

________________________________________________________________________.

答案　(1)图线如图所示

(2)0.5　平衡摩擦力过度

解析　(1)为画线性关系，纵轴表示加速度a，横轴表示质量的倒数；(2)图象的斜率表示小车所受的合外力，即砝码和小桶的总重力，求出G＝0.5 N；作出的图线与纵轴有截距，说明平衡摩擦力过度．