2022年高三物理復(fù)習(xí) 第3章 實(shí)驗(yàn) 探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系學(xué)案

2022年高三物理復(fù)習(xí) 第3章 實(shí)驗(yàn) 探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系學(xué)案實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)會(huì)用控制變量法研究物理規(guī)律2探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系3掌握靈活運(yùn)用圖象處理問題的方法實(shí)驗(yàn)原理探究加速度a與力F、質(zhì)量M的關(guān)系時(shí)，應(yīng)用的基本方法是_，即先控制一個(gè)參量小車的質(zhì)量M不變，討論加速度a與力F的關(guān)系；再控制小盤和砝碼的質(zhì)量不變，即力F不變，改變小車質(zhì)量M，討論加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、復(fù)寫紙片和紙帶、一端有定滑輪的長木板、小車、小盤、_電源、_、砝碼、_、導(dǎo)線實(shí)驗(yàn)步驟一、測質(zhì)量1用天平測出小車和砝碼的總質(zhì)量M，小盤和砝碼的總質(zhì)量m，把測量結(jié)果記錄下來二、儀器安裝及平衡摩擦力2按圖1把實(shí)驗(yàn)器材安裝好，只是不把懸掛小盤的細(xì)繩系在車上，即不給小車加牽引力圖13平衡摩擦力：在長木板不帶定滑輪的一端下面墊一塊木板反復(fù)移動(dòng)木板的位置，直至小車拖著紙帶在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí)可以保持_運(yùn)動(dòng)狀態(tài)這時(shí)，小車受到的摩擦阻力恰好與小車所受的重力_的分力平衡三、保持小車的質(zhì)量不變，研究a與F的關(guān)系4把細(xì)繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛小盤，先_再_，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列的點(diǎn)，打完點(diǎn)后切斷電源，取下紙帶，在紙帶上標(biāo)上紙帶號(hào)碼5保持小車和砝碼的質(zhì)量不變，在小盤里放入適量的砝碼，把小盤和砝碼的總質(zhì)量m記錄下來，重復(fù)步驟4.在小盤內(nèi)再放入適量砝碼，記錄下小盤和砝碼的總質(zhì)量m，再重復(fù)步驟4，重復(fù)三次，得到三條紙帶6在每條紙帶上都選取一段比較理想的部分，標(biāo)明計(jì)數(shù)點(diǎn)，測量計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離，算出每條紙帶上的加速度的值，并記錄在表格(一)內(nèi)表(一)實(shí)驗(yàn)次數(shù)加速度a/(m·s2)小車受力F/N1234四、保持小盤和砝碼的質(zhì)量不變，研究a與M的關(guān)系7保持小盤內(nèi)的砝碼個(gè)數(shù)不變，在小車上放上砝碼改變小車的質(zhì)量，讓小車在木板上滑動(dòng)打出紙帶計(jì)算砝碼和小車的總質(zhì)量M，并由紙帶計(jì)算出小車對(duì)應(yīng)的加速度改變小車上砝碼的個(gè)數(shù)，重復(fù)步驟7，并將所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量和加速度填入表(二)中表(二)實(shí)驗(yàn)次數(shù)加速度a/(m·s2)小車和砝碼的總質(zhì)量M/kg123數(shù)據(jù)處理1需要計(jì)算各種情況下所對(duì)應(yīng)的小車加速度，可使用“研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)”的方法：先在紙帶上標(biāo)明計(jì)數(shù)點(diǎn)，測量各計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離，根據(jù)公式a計(jì)算加速度圖22(1)根據(jù)表(一)，用縱坐標(biāo)表示加速度a，橫坐標(biāo)表示作用力F，作用力的大小F等于小盤和砝碼的總重力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在坐標(biāo)平面上描出相應(yīng)的點(diǎn)，如果這些點(diǎn)是在一條過原點(diǎn)的直線上，便證明了加速度a與作用力F成正比如圖2所示(2)根據(jù)表(二)用縱坐標(biāo)表示加速度a，橫坐標(biāo)表示小車和砝碼的質(zhì)量M，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在坐標(biāo)平面上描出相應(yīng)的點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)這些點(diǎn)落在一條類似反比函數(shù)的曲線上我們猜想，a與M可能成反比為了檢驗(yàn)猜想的正確性，再用縱坐標(biāo)表示加速度a，橫坐標(biāo)表示小車和砝碼總質(zhì)量的倒數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在坐標(biāo)平面上描出相應(yīng)的點(diǎn)如果這些點(diǎn)落在一條過原點(diǎn)的直線上，就證明了加速度與質(zhì)量成反比(如圖3所示)圖3注意事項(xiàng)1一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是調(diào)出一個(gè)合適的斜面，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受到的摩擦阻力在平衡摩擦力時(shí)，不要把懸掛小盤的細(xì)線系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著打點(diǎn)的紙帶運(yùn)動(dòng)2實(shí)驗(yàn)步驟2、3不需要重復(fù)，即整個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤和砝碼的總質(zhì)量還是改變小車和砝碼的總質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力3每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤和砝碼的總質(zhì)量的條件下打出只有如此，小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力4改變拉力和小車質(zhì)量后，每次開始時(shí)小車應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并應(yīng)先接通電源，再放開小車，且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車誤差分析1質(zhì)量的測量誤差，紙帶上打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)間隔距離的測量誤差，拉線或紙帶不與木板平行等都會(huì)造成誤差2因?qū)嶒?yàn)原理不完善造成誤差：本實(shí)驗(yàn)中用小盤和砝碼的總重力代替小車受到的拉力(實(shí)際上小車受到的拉力要小于小盤和砝碼的總重力)，存在系統(tǒng)誤差小盤和砝碼的總質(zhì)量越接近小車的質(zhì)量，誤差就越大；反之，小盤和砝碼的總質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量，誤差就越小3平衡摩擦力不準(zhǔn)確造成誤差：在平衡摩擦力時(shí)，除了不掛小盤外，其他的都跟正式實(shí)驗(yàn)一樣(比如要掛好紙帶、接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器)，勻速運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上各點(diǎn)的距離相等題型一對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解【例1】 如圖4圖4所示的實(shí)驗(yàn)裝置可以探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，小車上固定一個(gè)盒子，盒子內(nèi)盛有沙子沙桶的總質(zhì)量(包括桶以及桶內(nèi)沙子質(zhì)量)記為m，小車的總質(zhì)量(包括車、盒子及盒內(nèi)沙子質(zhì)量)記為M.(1)驗(yàn)證在質(zhì)量不變的情況下，加速度與合外力成正比；從盒子中取出一些沙子，裝入沙桶中，稱量并記錄沙桶的總重力mg，將該力視為合外力F，對(duì)應(yīng)的加速度a則從打下的紙帶中計(jì)算得出多次改變合外力F的大小，每次都會(huì)得到一個(gè)相應(yīng)的加速度本次實(shí)驗(yàn)中，桶內(nèi)的沙子取自小車中，故系統(tǒng)的總質(zhì)量不變以合外力F為橫軸，以加速度a為縱軸，畫出aF圖象，圖象是一條過原點(diǎn)的直線aF圖象斜率的物理意義是_你認(rèn)為把沙桶的總重力mg當(dāng)作合外力F是否合理？答：_.(填“合理”或“不合理”)本次實(shí)驗(yàn)中，是否應(yīng)該滿足Mm這樣的條件？答：_(填“是”或“否”)；理由是_(2)驗(yàn)證在合外力不變的情況下，加速度與質(zhì)量成反比；保持桶內(nèi)沙子質(zhì)量m不變，在盒子內(nèi)添加或去掉一些沙子，驗(yàn)證加速度與質(zhì)量的關(guān)系本次實(shí)驗(yàn)中，桶內(nèi)的沙子總質(zhì)量不變，故系統(tǒng)所受的合外力不變用圖象法處理數(shù)據(jù)時(shí)，以加速度a為縱軸，應(yīng)該以_的倒數(shù)為橫軸題型二實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理【例2】 某學(xué)習(xí)小組的同學(xué)在用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器探究物體的加速度與物體的質(zhì)量之間的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，不改變拉力，只改變物體的質(zhì)量，得到了如下表所示的幾組數(shù)據(jù)，其中第3組數(shù)據(jù)還未算出加速度，但對(duì)應(yīng)該組已打出了紙帶，如圖5所示(長度單位：cm)，圖中各點(diǎn)為每5個(gè)打點(diǎn)選出的計(jì)數(shù)點(diǎn)(兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)打點(diǎn)未標(biāo)出)圖5實(shí)驗(yàn)次數(shù)123456小車質(zhì)量(g200300400500600700小車加速度(m/s2)2.001.330.790.670.40小車質(zhì)量的倒數(shù)(kg1)5.003.332.502.001.671.00(1)請(qǐng)由紙帶上的數(shù)據(jù)，計(jì)算出缺少的加速度值并填入表中(小數(shù)點(diǎn)后保留兩位小數(shù))(2)請(qǐng)?jiān)趫D6中建立合適的坐標(biāo)，將表中各組數(shù)據(jù)用小黑點(diǎn)描在坐標(biāo)紙上，并作出平滑的圖線圖6(3)由圖象得出的結(jié)論是：_.1在利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和小車來做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，下列說法中正確的是()A平衡摩擦力時(shí)，應(yīng)將砝碼盤及盤內(nèi)砝碼通過定滑輪系在小車上B連接砝碼盤和小車的細(xì)繩應(yīng)跟長木板保持平行C平衡摩擦力后，長木板的位置不能移動(dòng)D小車釋放前應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，且應(yīng)先接電源再釋放小車2(xx·三明模擬)用如圖7甲所示的裝置做“驗(yàn)證牛頓第二定律”實(shí)驗(yàn)時(shí)，甲同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出的小車的加速度a和小車所受拉力F的圖象為圖中的直線，乙同學(xué)畫出的aF圖象為下圖中的直線.直線、在縱軸或橫軸上的截距較大，明顯超出了誤差范圍，下面給出了關(guān)于形成這種情況的四種解釋，其中可能正確的是()圖7A實(shí)驗(yàn)前甲同學(xué)沒有平衡摩擦力B甲同學(xué)在平衡摩擦力時(shí)，把長木板的末端抬得過高了C實(shí)驗(yàn)前乙同學(xué)沒有平衡摩擦力D乙同學(xué)在平衡摩擦力時(shí)，把長木板的末端抬得過高了3(xx·江蘇高考)“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置如圖8甲所示圖8(1)在平衡小車與桌面之間摩擦力的過程中，打出了一條紙帶如圖乙所示計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.02 s，從比較清晰的點(diǎn)起，每5個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，量出相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離該小車的加速度a_ m/s2.(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)(2)平衡摩擦力后，將5個(gè)相同的砝碼都放在小車上掛上砝碼盤，然后每次從小車上取一個(gè)砝碼添加到砝碼盤中，測量小車的加速度小車的加速度a與砝碼盤中砝碼總重力F的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表：砝碼盤中砝碼總重力F(N)0.1960.3920.5880.7840.980加速度a(m·s2)0.691.181.662.182.70請(qǐng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出aF的關(guān)系圖象(如圖9所示)圖9(3)根據(jù)提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的aF的圖線不通過原點(diǎn)請(qǐng)說明主要原因4(xx·天星調(diào)研卷)如圖10所示為某同學(xué)探究加速度與力和質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置，兩個(gè)相同質(zhì)量的小車放在光滑水平板上，前端各系一條細(xì)繩，繩的一端跨過定滑輪各掛一個(gè)小盤，盤中可放砝碼兩小車后端各系一條細(xì)繩，一起被夾子夾著使小車靜止打開夾子，兩小車同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)；關(guān)上夾子，兩小車同時(shí)停下來，用刻度尺測出兩小車的位移，下表是該同學(xué)在幾次實(shí)驗(yàn)中記錄的數(shù)據(jù)圖10實(shí)驗(yàn)次數(shù)車號(hào)小車質(zhì)量(g)小盤質(zhì)量(g)車中砝碼質(zhì)量(g)盤中砝碼質(zhì)量(g)小車位移(cm)1甲50 100015乙5010010302甲501001027.5乙50105010143甲50100018乙50101010請(qǐng)回答下述問題：(1)在每一次實(shí)驗(yàn)中，甲、乙兩車的位移之比等于_之比，請(qǐng)簡要說明實(shí)驗(yàn)原理_；(2)第一次實(shí)驗(yàn)是控制了_不變的，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)可得出結(jié)論是：_；(3)第二次實(shí)驗(yàn)是控制了_不變的，在實(shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)可得出結(jié)論是：_；(4)第三次實(shí)驗(yàn)時(shí)，該同學(xué)先測量了甲車的位移，再根據(jù)前兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)論，計(jì)算出乙車應(yīng)該發(fā)生的位移，然后再測量了乙車的位移，結(jié)果他高興地發(fā)現(xiàn)，理論的預(yù)言與實(shí)際符合得相當(dāng)好請(qǐng)問，他計(jì)算出的乙車位移應(yīng)該是_5(xx·成都模擬)某實(shí)驗(yàn)小組利用如圖11所示的實(shí)驗(yàn)裝置來探究當(dāng)合外力一定時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)的加速度與其質(zhì)量之間的關(guān)系圖11(1)由圖中刻度尺讀出兩個(gè)光電門中心之間的距離x24 cm，由圖12中游標(biāo)卡尺測得遮光條的寬度d_ cm.該實(shí)驗(yàn)小組在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，將滑塊從圖11所示位置由靜止釋放，由數(shù)字計(jì)時(shí)器可以讀出遮光條通過光電門1的時(shí)間t1，遮光條通過光電門2的時(shí)間t2，則滑塊經(jīng)過光電門1時(shí)的瞬時(shí)速度的表達(dá)式v1_，滑塊經(jīng)過光電門2時(shí)的瞬時(shí)速度的表達(dá)式v2_，則滑塊的加速度的表達(dá)式a_.(以上表達(dá)式均用字母表示)圖12(2)在本次實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)小組通過改變滑塊質(zhì)量總共做了6組實(shí)驗(yàn)，得到如表所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過分析表中數(shù)據(jù)后，你得出的結(jié)論是_.m(g)a(m/s2)2502.023001.653501.334001.255001.008000.63(3)現(xiàn)需通過圖象進(jìn)一步驗(yàn)證你的結(jié)論，請(qǐng)利用表格數(shù)據(jù)，在圖13坐標(biāo)系中描點(diǎn)作出相應(yīng)圖象圖136(xx·吉林二模)為了探究加速度與力的關(guān)系，使用如圖14所示的氣墊導(dǎo)軌裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)其中G1、G2為兩個(gè)光電門，它們與數(shù)字計(jì)時(shí)器相連，當(dāng)滑行器通過G1、G2光電門時(shí)，光束被遮擋的時(shí)間t1、t2都可以被測量并記錄滑行器連同上面固定的一條形擋光片的總質(zhì)量為M，擋光片寬度為D，光電門間距離為x，牽引砝碼的質(zhì)量為m.回答下列問題：圖14(1)實(shí)驗(yàn)開始應(yīng)先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺釘，使氣墊導(dǎo)軌水平，在不增加其他儀器的情況下，如何判定調(diào)節(jié)是否到位？(2)若取M0.4 kg，改變m的值，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，以下m的取值不合適的一個(gè)是_Am15 g Bm215 gCm340 g Dm4400 g(3)在此實(shí)驗(yàn)中，需要測得每一個(gè)牽引力對(duì)應(yīng)的加速度，其中求得的加速度的表達(dá)式為：_(用t1、t2、D、x表示)實(shí)驗(yàn)學(xué)案15探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系【基礎(chǔ)自主落實(shí)】實(shí)驗(yàn)原理控制變量法實(shí)驗(yàn)器材交流天平刻度尺實(shí)驗(yàn)步驟二、3.勻速直線在斜面方向上三、4.接通電源放開小車【熱點(diǎn)題型精析】例1 (1)合理否因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的研究對(duì)象是整個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)受到的合外力就等于mg(2)Mm解析(1)將車內(nèi)的沙子轉(zhuǎn)移到桶中，就保證了Mm不變，即系統(tǒng)的總質(zhì)量不變，研究對(duì)象是整個(gè)系統(tǒng)，a，可見aF圖象斜率的物理意義是，系統(tǒng)的合外力就等于所懸掛沙桶的重力mg，不必滿足Mm這樣的條件(2)向小車內(nèi)添加或去掉部分沙子，是改變系統(tǒng)的總質(zhì)量Mm，而系統(tǒng)的合外力仍等于所懸掛沙桶的重力mg，保證了合外力不變例2 (1)0.99(2)見解析圖(3)在拉力一定時(shí)，物體的加速度與質(zhì)量成反比(與質(zhì)量的倒數(shù)成正比)解析(1)a的計(jì)算利用逐差法a×102 m/s20.99 m/s2(2)描點(diǎn)繪圖，如圖所示(3)由圖象知a圖象是一條直線，即在拉力一定時(shí)，物體的加速度與質(zhì)量成反比【課時(shí)效果檢測】1BCD本題考查實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)，選項(xiàng)A中平衡摩擦力時(shí)，不能將砝碼盤及盤內(nèi)砝碼(或小桶)通過細(xì)繩系在小車上，A錯(cuò)；選項(xiàng)B、C、D符合正確的操作方法2BC3(1)0.16(2)見解析(3)忘記加入砝碼盤的重力解析(1)由題意可知計(jì)數(shù)間隔T5T00.1 s.由xaT2和x0.16 cm1.6×103 m可得a0.16 m/s2.(2)aF圖線如圖所示(3)平衡小車與桌面之間的摩擦力，aF圖象仍不通過原點(diǎn)，可能是在計(jì)算F時(shí)忘記加入砝碼盤的重力，使作出的圖象向左平移造成的4(1)加速度x1x2a1a2(2)小車質(zhì)量小車加速度與合外力成正比(3)小車所受合外力小車加速度與質(zhì)量成反比(4)30 cm解析(1)甲、乙兩車的位移之比等于加速度之比，由于兩車運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同，由xat2得x1x2a1a2；(2)第一次實(shí)驗(yàn)中控制小車質(zhì)量相同，小車加速度與合外力成正比；(3)第二次小車所受合外力不變，小車加速度與質(zhì)量成反比；(4)，x甲x乙a甲a乙35，得x乙30 cm.5(1)0.52(2)、(3)見解析解析(1)由圖可知d5 mm0.1 mm×25.2 mm0.52 cm.遮光條的寬度很小，遮光條通過光電門的時(shí)間很短，這段時(shí)間內(nèi)的平均速度即為滑塊通過光電門的瞬時(shí)速度，故v1，v2.滑塊由光電門1到光電門2做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，由vv2ax可得a.(2)在合外力不變的情況下，物體運(yùn)動(dòng)的加速度跟物體的質(zhì)量成反比，當(dāng)合外力一定時(shí)，在誤差允許的范圍內(nèi)，物體質(zhì)量和加速度的乘積近似相等(3)如圖所示6(1)取下牽引砝碼，M放在任意位置都能靜止；或取下牽引砝碼，輕推滑行器M，數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄每一個(gè)光電門的光束被擋的時(shí)間t都相等(2)D(3)a解析(2)本實(shí)驗(yàn)的目的是“探究加速度與力的關(guān)系”，若將砝碼的重力(mg)看做是滑行器(M)的合外力，前提條件是mM，故選項(xiàng)D不合適(3)由vv2ax可得