江苏版高考物理一轮复习第3章实验4探究加速度与物体受力、物体质量的关系课件

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本实验的难点是测量小车的合力，实验通过两个“替代”关系测量小车的合力，使小车合力的测量转化为对悬挂物重力的测量。1．平衡摩擦力——用小车所受的拉力替代合力小车受力为重力、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为零，则小车所受的拉力等于小车的合力。
[题组训练]某实验小组利用如图所示的装置探究加速度与力、质量的关系。
(1)实验中除了需要小车、砝码、托盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、两根导线、复写纸、纸带之外，还需要________、________。
(2)下列做法正确的是________。A．调节滑轮的高度，使牵引小车的细绳与长木板保持平行B．在调节木板倾斜角度平衡小车受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的托盘通过定滑轮拴在小车上C．实验时，先放开小车，再接通打点计时器的电源D．通过增减小车上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度E．用托盘和盘内砝码的重力作为小车和车上砝码受到的合外力，为减小误差，实验中一定要保证托盘和砝码的总质量远小于小车和车上砝码的总质量
[解析]　(1)实验中需要用托盘和砝码的总重力表示小车受到的拉力，需测量托盘的质量，还需要测定小车的质量，所以还需要天平。 实验中需要用刻度尺测量纸带上点迹间的距离，从而得出加速度，所以还需要刻度尺。
(2)平衡摩擦力时应系上纸带，不能挂托盘。调节滑轮的高度，使牵引小车的细绳与长木板保持平行，A项正确，B项错误；平衡摩擦力后细绳与木板平行，且托盘和砝码的总质量远小于小车和车上砝码的总质量时，托盘和砝码的总重力近似等于小车和车上砝码受到的合外力，E项正确；实验时应该先接通电源，后释放小车，使得纸带上点迹多一些，以便于测量加速度，还要多测几组数据减小偶然误差，C项错误；通过增减小车上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板的倾斜角度，D项正确。
[答案]　(1)天平　刻度尺　(2)ADE　(3)反比　过大
本实验的偶然误差主要由质量的测量、计数点间距测量引起，可通过多次测量取平均值减小误差。本实验的系统误差主要由两个因素产生，分析如下：(1)平衡摩擦力不准造成的误差图线a-F不通过原点，分两种情况：①当平衡摩擦力不够时，F≠0，a＝0。②当平衡摩擦力过度时，F＝0，a≠0。
[题组训练]1．某组同学设计了“探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系”实验。图甲为实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为装有细砂的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车的拉力F等于细砂和小桶的总重力，小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得。
(1)图乙为某次实验得到的纸带，已知实验所用电源的频率为50 Hz。根据纸带可求出电火花计时器打B点时的速度为________ m/s，小车的加速度大小为______ m/s2。(结果均保留两位有效数字)
(2)在“探究加速度a与质量m的关系”时，某同学按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注，但尚未完成图像(如图丙所示)。请继续帮助该同学作出坐标系中的图像。
(3)在“探究加速度a与合力F的关系”时，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图丁，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因。__________________________________________________。
(2)将坐标系中各点连成一条直线，连线时应使直线过尽可能多的点，不在直线上的点应大致对称地分布在直线的两侧，离直线较远的点应视为错误数据，不予考虑，连线如图所示：
(3)图线与横轴有截距，说明实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够。[答案]　(1)1.6　3.2　(2)见解析　(3)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够
2．(2023·江苏曲塘中学质检)某次“探究加速度a跟物体所受合力F和质量m的关系”的实验过程是：
(1)图甲所示为实验装置图。图乙为某次实验得到的一段纸带，计数点A、B、C、D、E间的时间间隔为0.1 s，根据纸带可求出小车的加速度大小为________m/s2(结果保留两位有效数字)。
(2)保持小车质量不变，改变沙和沙桶质量，进行多次测量。根据实验数据做出了加速度a随拉力F的变化图线，如图丙所示。图中直线没有通过原点，其主要原因是__________________。
[答案]　(1)0.43　(2)实验前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分)　(3)a.如图所示
b．图线为过原点的直线，表明在合外力一定时，加速度跟质量成反比
3．用如图1所示的装置探究加速度与质量的关系，把右端带有滑轮的长木板放在实验桌上，小车的左端连接穿过打点计时器的纸带，右端连接细线，细线绕过定滑轮且挂有托盘和砝码，通过垫块调节木板左端高度补偿摩擦阻力。
(1)下列实验操作中正确的有________。A．先释放小车后接通电源B．调整定滑轮使细线与长木板平行C．补偿摩擦力时必须移去纸带D．补偿摩擦力时必须移去托盘和砝码
(2)某次实验打出的一条纸带如图2所示，测得计数点1、2、3、4与0计数点间的距离分别为x1＝3.60 cm、x2＝9.61 cm、x3＝18.01 cm、x4＝28.81 cm。已知打点计时器打点周期为0.02 s，相邻计数点间有四个打点未画出，则小车的加速度a＝________ m/s2(结果保留3位有效数字)。
合力一定时，当托盘和砝码的总质量远小于小车和车内沙子的总质量m总时，小车和车内沙子的加速度a与质量m总成反比。
高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材，是在教材实验的基础上创设新情境，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥于教材，体现开放性、探究性、设计性等特点，本实验创新点体现在以下几方面：
类型2　实验拓展与创新
[题组训练]1．(实验目的的创新)现要测量滑块与木板之间的动摩擦因数，实验装置如图1所示。表面粗糙的木板一端固定在水平桌面上，另一端抬起一定高度构成斜面；木板上有一滑块，其后端与穿过打点计时器的纸带相连；打点计时器固定在木板上，连接频率为50 Hz 的交流电源。接通电源后，从静止释放滑块，滑块带动纸带打出一系列的点迹。
(1)图2给出的是实验中获取的一条纸带的一部分：0、1、2、3、4、5、6是实验中选取的计数点，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，2、3和5、6计数点的距离如图2所示。由图中数据求出滑块的加速度a＝________ m/s2(结果保留三位有效数字)。
(2)已知木板的长度为L，为了求出滑块与木板间的动摩擦因数，还应测量的物理量是________。A．滑块到达斜面底端的速度vB．滑块的质量mC．滑块的运动时间tD．斜面高度h和底边长度x(3)设重力加速度为g，滑块与木板间的动摩擦因数的表达式为μ＝________(用所需测物理量的字母表示)。
(2)由mgsin θ－μmgcs θ＝ma可知，要求μ，需要知道滑块的加速度、木板与桌面间夹角的正弦值和余弦值，根据纸带数据可算出滑块的加速度大小，再根据斜面高度h和底边长度x，结合三角形知识，即可求解，故A、B、C错误，D正确。
2．(实验目的的创新)(2021·江苏省新高考适应性考试)用如图1所示的实验装置测量木块与长木板间的动摩擦因数μ。把左端带有滑轮的长木板平放在实验桌上，载有砝码的木块右端连接穿过打点计时器的纸带，左端连接细线，细线绕过定滑轮挂有槽码，木块在槽码的牵引下运动，通过纸带测量木块的加速度，并测出木块与砝码的总质量M，槽码的总质量m，计算木块与木板之间的摩擦力Ff。改变M和m进行多次实验。
(1)下列实验操作步骤，正确顺序是________。①释放木块②接通打点计时器电源③将木板固定在水平桌面上④调节滑轮高度使细线与木板平行⑤将纸带穿过打点计时器的限位孔并固定在木块上
(2)实验打出的一段纸带如图2所示，打点计时器的工作频率为50 Hz，图中纸带按实际尺寸画出，则木块的加速度为____ m/s2。
(3)甲同学测得的数据见下表。
请根据表中的数据，在方格纸上作出f-M图像。
(4)已知重力加速度g＝9.80 m/s2，可求得该木块与木板的动摩擦因数μ＝________。(5)乙同学用(3)问表中的数据逐一计算出每次测量的μ值，取其平均值作为测量结果。他发现该值比甲同学在(4)问中得出的μ值大。你认为哪位同学的结果更准确，请简要说明理由。_______________________________________________
[解析]　(1)实验时，将木板固定在水平桌面上，接着将纸带穿过打点计时器的限位孔并固定在木块上，然后把细线拴在小车上，使细线跨过定滑轮并挂上槽码，调节滑轮高度使细线与木板平行。再接通打点计时器电源，接着释放木块。最后关闭电源，取下纸带。故正确顺序是③⑤④②①。
(2)如图所示每四个点选用一个计数点，标上字母。则计数点之间的时间间隔为T＝0.02 s×4＝0.08 s用刻度尺测得C、E两点到O点的距离分别为xOC＝3.90 cm，xOE＝9.00 cm，由逐差法得
(3)根据表中数据描点，用平滑的曲线连接如下
(5)用图像法求μ，需要连线，连线时尽量让更多的点在线上，但不会去将就每一个点。这样偏离直线较远的点，说明有问题，可以自动排除。但乙同学通过求平均值就做不到这一点，因此甲同学的结果更准确。[答案]　(1)③⑤④②①　(2)0.47　(3)见解析(4)0.33(0.32～0.34)　(5)见解析
3．(实验目的的创新)(2023·江苏南通高三月考)某物理课外小组利用如图甲所示的装置完成“探究小车的加速度与其所受合外力F之间的关系”实验。
(1)请补充完整下列实验步骤的相关内容：①用天平测量砝码盘的质量m0：用游标卡尺测量遮光片的宽度d，游标卡尺的示数如图乙所示，则其读数为________ cm；②按图甲所示安装好实验装置，用米尺测量两光电门之间的距离s；③在砝码盘中放入适量的砝码，适当调节长木板的倾角，直到轻推小车，遮光片先后经过光电门A和光电门B的时间相等；
④取下细线和砝码盘，记下砝码盘中砝码的质量m；⑤让小车从靠近滑轮处由静止释放，用数字毫秒计分别测出遮光片经过光电门A和光电门B所用的时间ΔtA和ΔtB；⑥重新挂上细线和砝码盘，改变砝码盘中砝码的质量和长木板的倾角，重复③～⑤步骤。
(2)步骤⑤中，小车从光电门A下滑至光电门B的过程中所受合外力为________，小车的加速度为________。(用上述步骤中的物理量表示，重力加速度为g)(3)本实验中，以下操作或要求是为了减小实验误差的是________。A．尽量减小两光电门间的距离sB．尽量增大遮光片的dC．调整滑轮，使细线与长木板平行D．砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量
[解析]　(1)游标卡尺的主尺读数为2 mm，游标尺上第5个刻度和主尺上某一刻度对齐，所以游标读数为5×0.05 mm＝0.25 mm所以最终读数为2 mm＋0.25 mm＝2.25 mm＝0.225 cm。
(3)尽量增大两光电门间的距离s，减小遮光片的宽度d，距离s大一些，宽度d小一些，误差小一些，故A、B错误；调整滑轮，使细线与长木板平行，否则撤去绳子后，合力不等于绳子拉力，故C正确；本实验没有用砝码盘和盘中砝码的重力代替绳子的拉力，不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量，故D错误。
4．(实验目的与过程的创新)(2023·江苏南京金陵中学高三模拟)木—木间动摩擦因数大致在0.3左右，现测量实验室中某木块与木板间动摩擦因数μ。
(1)采用图甲所示实验装置，正确进行实验操作，得到图乙所示的一条纸带。①从某个清晰的打点开始依次标注0、1、2、3、4、5、6，分别测出0点到各点的距离d1、d2、d3、d4、d5、d6。已知打点周期T，求得各点木块运动速度vi，其中第4点木块的速度v4＝________；取0点时刻为零时刻，作v-t图得到木块加速度为a，已知木块的质量M、钩码的质量m及当地重力加速度g，则木块与木板间动摩擦因数μ＝________(用题给的已知量a、M、m表示)。
②关于上述实验操作过程：长木板必须保持______(选填倾斜、水平)；钩码质量________(必须、不必)远小于木块质量。③对实验结果分析，发现μ测量值偏大，请列出一条产生误差的原因：___________________________________________。
(2)只有一把刻度尺，已知悬挂重物和木块质量分别是m＝0.3 kg、M＝0.5 kg，而当地重力加速度g未知，某同学用图丙装置测量木块与长木板间动摩擦因数μ，细线跨过水平长木板左端定滑轮一端悬挂重物，另一端连接静止在水平长木板上A点的木块，悬挂重物离地高度h。释放木块、重物开始运动，重物着地后不再反弹，木块最终停在B点，刻度尺测量AB间距离为s，保持木块释放点位置不变，多次改变重物下落高度h，测得对应s，作s-h图如图丁，图线斜率为k＝1.5，则木块与木板间动摩擦因数μ＝________。
　丙　　　　　　　　　丁
②由于该实验需要测量木块与木板间动摩擦因数，不需要平衡摩擦力，所以长木板必须保持水平；根据牛顿第二定律可知钩码的重力mg与细绳对木块的拉力T＝mg－ma不相等，所以钩码质量不必远小于木块质量；③对实验结果分析，产生误差的原因是细线与滑轮、纸带与打点计时器的阻力。