2023年高考物理总复习试题讲解:第三章实验四 探究加速度与物体受力物体质量的关系(含答案)
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1、实验四 探究加速度与物体受力、物体质量的关系目标要求1.理解实验的原理,明确实验过程并能进行数据处理.2.了解实验的注意事项,会对实验进行误差分析.3.能对实验进行创新改进实验技能储备1实验原理(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aF图像和a图像,确定a与F、m的关系2实验器材小车、槽码、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、学生电源、导线、纸带、天平、刻度尺、坐标纸3实验过程(1)测量:用天平测量槽码的质量m和小车的质量m.(2)安装:按照如图所示装置把实验器材安装好,只是不把悬挂槽码的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)
2、(3)补偿阻力:在长木板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:槽码通过细绳绕过定滑轮系于小车上,先接通电源后放开小车,断开电源,取下纸带,编号码保持小车的质量m不变,改变槽码的质量m,重复步骤.在每条纸带上选取一段比较理想的部分,计算加速度a.描点作图,作aF的图像保持槽码的质量m不变,改变小车质量m,重复步骤和,作a图像4数据处理(1)利用逐差法或vt图像法求a.(2)以a为纵坐标,F为横坐标,描点、画线,如果该线为过原点的直线,说明a与F成正比(3)以a为纵坐标,为横坐标,描点、画线,如果该线为过原点的直线,就能判定a与m成反比5注意事项(1)开始实验前首先补偿阻
3、力:适当垫高木板不带定滑轮的一端,使小车的重力沿斜面方向的分力正好补偿小车和纸带受到的阻力在补偿阻力时,不要把悬挂槽码的细绳系在小车上,让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动(2)实验过程中不用重复补偿阻力(3)实验必须保证的条件:mm.(4)一先一后一按:改变拉力或小车质量后,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6误差分析(1)实验原理不完善:本实验用槽码的总重力mg代替小车的拉力,而实际上小车所受的拉力要小于槽码的总重力(2)补偿阻力不准确、质量测量不准确、计数点间距离测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差考点一教材原型实
4、验例1某实验小组采用如图甲所示的实验装置,研究小车质量不变时,其加速度a与所受合力F的关系(1)在补偿阻力这步操作中,_(选填“需要”或“不需要”)通过细绳把砂桶挂在小车上(2)实验中得到的一条纸带如图乙所示,相邻的两计数点之间还有 4 个点未画出,用毫米刻度尺测量出来的数据已在图中标出已知打点计时器的打点周期为 0.02 s,则该小车运动的加速度大小为_ m/s2(计算结果保留两位有效数字)(3)该实验小组把砂和砂桶的总重力当成小车的合力F,根据实验得出的数据,采用图像法处理数据,画出aF图像如图丙所示,发现图线上端弯曲,其原因可能是_.(4)关于本实验存在的误差,以下说法正确的是_A在图乙
5、中,每个测量数据均存在偶然误差 B把砂和砂桶的总重力当成小车的合力导致实验中存在系统误差 C实验中用图像法处理数据可以减少系统误差答案(1)不需要(2)0.39(3)小车质量没有远远大于砂和砂桶的总质量(4)AB解析(1)在补偿阻力这步操作中,不需要通过细绳把砂桶挂在小车上(2)相邻的两计数点之间还有 4 个点未画出,则T0.1 s;根据xaT2可得该小车运动的加速度大小为a m/s20.39 m/s2(3)图线上端弯曲,其原因可能是小车质量没有远远大于砂和砂桶的总质量(4)在题图乙中,每个测量数据均存在偶然误差,选项A正确;因砂和砂桶加速下降,失重,则细绳的拉力小于砂和砂桶的总重力,即把砂和
6、砂桶的总重力当成小车的合力导致实验中存在系统误差,选项B正确;实验中用图像法处理数据可以减少偶然误差,选项C错误例2用如图所示的装置验证牛顿第二定律(1)除了图中所给器材以及交流电源和导线外,在下列器材中,还必须使用的两种器材是_(选填正确选项的字母)A秒表 B天平(含砝码)C弹簧测力计 D刻度尺(2)实验前补偿阻力的做法是:把实验器材安装好,先不挂重物,将小车放在木板上,后面固定一条纸带,纸带穿过打点计时器用垫块把木板一端垫高,接通打点计时器,让小车以一定初速度沿木板向下运动,并不断调节木板的倾斜度,直到小车拖动纸带沿木板做_运动(3)为使砂桶和砂的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力
7、,需满足的条件是砂桶及砂的总质量_小车的总质量(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)(4)实验中打出的一条纸带的一部分如图所示纸带上标出了连续的3个计数点A、B、C,相邻计数点之间还有4个点没有标出打点计时器接在频率为50 Hz的交流电源上则打点计时器打B点时,小车的速度vB_ m/s.多测几个点的速度作出vt图像,就可以算出小车的加速度(5)为研究加速度和力的关系,要保证_的总质量不变,改变砂桶内砂的质量,重复做几次实验,通过实验数据来研究加速度和力的关系(6)在研究加速度与质量的关系时,要保证砂和砂桶的质量不变若砂和砂桶的质量m与小车的总质量M间的关系不满足第(3)问中的条件,由实验数
8、据作出a和的图线,则图线应如图中的_所示(选填正确选项的字母)答案(1)BD(2)匀速直线(3)远小于(4)0.44(0.430.45)(5)小车(6)C解析(1)利用天平测量质量,利用打点计时器可以计时,打出的纸带需测量长度求加速度,所以需要天平和刻度尺,A、C错误,B、D正确(2)补偿阻力是使小车拖动纸带在木板上做匀速直线运动(3)为了使砂桶及砂的重力近似等于拉力,需要砂桶及砂的总质量要远小于小车的总质量(4)由中间时刻的瞬时速度等于整个过程的平均速度,可得vB m/s0.44 m/s(5)探究加速度a与外力F的关系时,需要保持小车的总质量恒定不变(6)在研究加速度与质量的关系时, 由于平
9、衡了摩擦力,所以图像过原点,且分别对小车和砂桶及砂受力分析,由牛顿第二定律可得mgFTma,FTMa,解得 mg(Mm)a,整理解得a,因为保证了砂和砂桶的质量不变,所以由实验数据作出a的图线,不会发生弯曲,故选C.考点二探索创新实验 考向1实验器材的创新例3为了探究物体质量一定时加速度与力的关系,甲、乙两同学设计了如图所示的实验装置其中M为带滑轮的小车的质量,m为砂和砂桶的质量,m0为滑轮的质量力传感器可测出轻绳中的拉力大小(1)实验时,一定要进行的操作是_;A将带滑轮的长木板右端垫高,以补偿阻力B用天平测出砂和砂桶的质量C小车靠近打点计时器,先接通电源,再释放小车,打出一条纸带,同时记录力
10、传感器的示数D为减小误差,实验中一定要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M(2)甲同学在实验中得到如图所示的一条纸带(相邻两计数点间还有四个点没有画出),已知打点计时器采用的是频率为50 Hz的交流电,根据纸带可求出小车的加速度为_ m/s2(结果保留三位有效数字);(3)甲同学以力传感器的示数F为横坐标,加速度a为纵坐标,画出的aF图像(如图)是一条直线,图线与横坐标轴的夹角为,求得图线的斜率为k,则小车的质量为_;(填写字母)A. B.m0C.m0 D.(4)乙同学根据测量数据作出如图所示的aF图线,该同学做实验时存在的问题是_(填写字母)A先释放小车,后接通电源B砂和砂桶的质量m没有远
11、小于小车的质量MC平衡摩擦力时木板没有滑轮的一端垫得过高D没有补偿阻力或补偿阻力不够答案(1)AC(2)2.00(3)C(4)D解析(1)用力传感器测出拉力,从而表示小车受到的合外力,故需要将带滑轮的长木板右端垫高,以补偿阻力,故A正确;拉力可以由力传感器测出,不需要用天平测出砂和砂桶的质量,也就不需要使小桶(包括砂)的质量远小于车的总质量,故B、D错误;使用打点计时器时,应先接通电源,待打点稳定后再释放小车,故C正确(2)根据匀变速直线运动推论xaT2,依据逐差法,可得a2.00 m/s2(3)由牛顿第二定律,对小车分析有2F(Mm0)a,整理得aF,由图像得k解得Mm0,故选C.(4)如题
12、图所示,当拉力达到一定数值时才产生了加速度,说明没有补偿阻力或没有完全补偿阻力,故选D.例4(2021湖南卷11)某实验小组利用图(a)所示装置探究加速度与物体所受合外力的关系主要实验步骤如下:(1)用游标卡尺测量垫块厚度h,示数如图(b)所示,h_ cm;(2)接通气泵,将滑块轻放在气垫导轨上,调节导轨至水平;(3)在右支点下放一垫块,改变气垫导轨的倾斜角度;(4)在气垫导轨合适位置释放滑块,记录垫块个数n和滑块对应的加速度a;(5)在右支点下增加垫块个数(垫块完全相同),重复步骤(4),记录数据如下表:n123456a/(ms2)0.0870.1800.2600.4250.519根据表中数
13、据在图(c)上描点,绘制图线如果表中缺少的第4组数据是正确的,其应该是_m/s2(保留三位有效数字)答案(1)1.02(5)见解析图0.343(0.3410.345)解析(1)垫块的厚度为h1 cm20.1 mm1.02 cm(5)绘制图线如图;根据mgma可知a与n成正比关系,则根据图像可知,斜率k解得a40.343 m/s2. 考向2实验方案的创新例5(2020浙江7月选考17(1)做“探究加速度与力、质量的关系”实验时,图甲是教材中的实验方案;图乙是拓展方案,其实验操作步骤如下:()挂上托盘和砝码,改变木板的倾角,使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑;()取下托盘和砝码,测出其总质量为
14、m,让小车沿木板下滑,测出加速度a;()改变砝码质量和木板倾角,多次测量,通过作图可得到aF的关系实验获得如图所示的纸带,计数点a、b、c、d、e、f间均有四个点未画出,则在打d点时小车的速度大小vd_ m/s(保留两位有效数字);需要满足条件Mm的方案是_(选填“甲”“乙”或“甲和乙”);在作aF图像时,把mg作为F值的是_(选填“甲”“乙”或“甲和乙”)答案0.19(0.180.19均可)甲甲和乙解析由题意知小车做匀加速直线运动,故vd,将xce(36.1032.40) cm3.70 cm,T0.1 s代入得vd0.19 m/s甲实验方案中:绳的拉力F满足:FMa,且mgFma,则F,只有
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