全国版2021高考物理一轮复习专题三牛顿运动定律考点3实验：探究加速度与力质量的关系教案

全国版2021高考物理一轮复习专题三牛顿运动定律考点3实验：探究加速度与力质量的关系教案

考点3　实验:探究加速度与力、质量的关系 ‎398‎ 考向　实验原理和方法 ‎[2017浙江下半年选考,17,5分]在做“探究加速度与力、质量的关系”实验中 ‎(1)下列仪器需要用到的是　　　　. ‎ ‎(2)下列说法正确的是　　　　. ‎ A.先释放纸带再接通电源 B.拉小车的细线应尽可能与长木板平行 C.纸带与小车相连端的点迹较疏 D.轻推小车,拖着纸带的小车能够匀速下滑说明摩擦力已被平衡 ‎(3)如图所示是实验时打出的一条纸带,A、B、C、D、…为每隔4个点取的计数点,据此纸带可知小车在打点计时器打D点时速度大小为　　　　m/s(小数点后保留2位). ‎ 必备知识:实验原理、器材选择、实验方法、打点纸带处理等.‎ 关键能力:实验原理的理解能力,纸带数据处理与计算能力.‎ 解题指导:运用打点纸带法探究加速度与力、质量的关系的实验原理和方法.选定器材,确定正确的实验方法.必须明确本实验是利用打点计时器计时的,拉力是由物体的重力提供的,所以秒表和弹簧测力计是不需要的.另外本实验需要通过垫高法让物体重力的一个分力与摩擦力平衡,这一点很重要,不能忽视.‎ 考法1 考查实验原理和操作方法 ‎1如图甲所示为验证牛顿第二定律的实验装置示意图.图中打点计时器的电源为50 Hz的交流电源,打点的时间间隔用Δt表示.在小车质量未知的情况下,某同学设计了一种方法用来研究“在外力一定的条件下,物体的加速度与其质量间的关系”.‎ - 6 -‎ ‎(1)完成下列实验步骤中的填空:‎ ‎①平衡小车所受的阻力:小吊盘中不放物块,调整木板右端的高度,用手轻拨小车,直到打点计时器打出一系列　　　的点. ‎ ‎②按住小车,在小吊盘中放入适当质量的物块,在小车中放入砝码.‎ ‎③打开打点计时器电源,由静止释放小车,获得带有点迹的纸带,在纸带上标出小车中砝码的质量m.‎ ‎④按住小车,改变小车中砝码的质量,重复步骤③.‎ ‎⑤在每条纸带上清晰的部分,每5个间隔标注一个计数点,测量相邻计数点的间距s1,s2,…,求出与不同m对应的加速度a.‎ ‎⑥以砝码的质量m为横坐标,‎1‎a为纵坐标,在坐标纸上作出‎1‎a-m关系图线.若加速度与小车和砝码的总质量成反比,则‎1‎a与m应成　　　关系(填“线性”或“非线性”). ‎ ‎(2)完成下列填空:‎ ‎(i)本实验中,为了保证在改变小车中砝码的质量时,小车所受的拉力近似不变,小吊盘和盘中物块的质量之和应满足的条件是 　　　　　　　　. ‎ ‎(ii)若纸带上四个相邻计数点的间距为s1、s2、s3,则a可用s1、s3和Δt表示为a=　　　　　.图乙所示为用米尺测量某一纸带上的s1、s3的情况,由图可读出s1=　　　mm,s3=　　　mm.由此求得加速度的大小a=　　　m/s2. ‎ ‎(1)①平衡小车所受的阻力后,小车做匀速运动,打点计时器打出的点间隔均匀.⑥若加速度与小车和砝码的总质量成反比,则有(M+m)a=k,k为常量,可得‎1‎a=Mk+mk,‎1‎a与m为一次函数关系,是线性关系.‎ ‎(2)(i)为保证小车所受拉力近似不变,应满足小吊盘和盘中物块的质量之和远小于小车的质量.‎ - 6 -‎ ‎(ii)由Δx=aT2可知,a=s‎3‎‎-‎s‎1‎‎2(5Δt‎)‎‎2‎=s‎3‎‎-‎s‎1‎‎50(Δt‎)‎‎2‎,由图乙可得出s1=36.7 mm-12.5 mm=24.2 mm,s3=120.2 mm-73.0 mm=47.2 mm,代入a的表达式计算得a=1.15 m/s2.‎ ‎(1)间隔均匀　线性　(2)(i)远小于小车的质量 ‎(ii)s‎3‎‎-‎s‎1‎‎50(Δt‎)‎‎2‎　24.2(24.0~24.4)　47.2(47.0~47.4)　1.15(1.14~1.16)‎ ‎1.[2020山东济南检测]如图所示的实验装置可以验证牛顿第二定律,小车上固定一个盒子,盒子内盛有砂子.砂桶的总质量(包括桶以及桶内砂子质量)记为m,小车的总质量(包括车、盒子及盒内砂子质量)记为M.‎ ‎(1)验证在系统质量不变的情况下,加速度与合力成正比.从盒子中取出一些砂子,装入砂桶中,称量并记录砂桶的总重力mg,将该力视为合力F,对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出.多次改变合力F的大小,每次都会得到一个相应的加速度.本次实验中,桶内的砂子取自小车中,故系统的总质量不变.以合力F为横轴,以加速度a为纵轴,画出a-F图象,图象是一条过原点的直线.‎ ‎①a-F图象的斜率是　. ‎ ‎②本次实验中,把砂桶的总重力mg当成合力F,是否应该满足M≫m这样的条件?说明理由.　. ‎ ‎(2)验证在系统合力不变的情况下,加速度与质量成反比.保持桶内砂子质量m不变,在盒子内添加或去掉一些砂子,验证加速度与质量的关系.本次实验中,桶内的砂子总质量不变,故系统所受的合力不变.用图象法处理数据时,以加速度a为纵轴,应该以　　　　的倒数为横轴. ‎ 考法2 考查数据处理及误差分析 ‎2[全国Ⅰ]某同学利用图(a)所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图,如图(b)所示.实验中小车(含发射器)的质量为200 g,实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮,小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到.回答下列问题:‎ ‎(1)根据该同学的结果,小车的加速度与钩码的质量呈　　　　(填“线性”或“非线性”)关系. ‎ ‎(2)由图(b)可知,a-m图线不经过原点,可能的原因是　　　　　. ‎ - 6 -‎ ‎(3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下,小车的加速度与作用力成正比”的结论,并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力,则实验中应采取的改进措施是　　　　　　　　　　　　　　　　　,钩码的质量应满足的条件是　. ‎ ‎(1)在本实验中,小车的加速度a=FM+m=mgM+m,在研究加速度与外力的关系时,保持小车的质量M不变,若横轴为钩码质量m,则当满足M≫m时,m可以忽略不计,a=mgM,a-m图线是过原点的直线;当不满足M≫m时,斜率将随m增大而变小,图线便发生弯曲.‎ ‎(2)图线没有过原点,即当挂上钩码,绳子有拉力时,小车的加速度还为零,说明存在摩擦力.‎ ‎(3)实验中应采取的改进措施有两个:一个是为了使图线过原点,应调整轨道的倾斜度以平衡摩擦力;另一个就是小车实际的加速度为a=FM+m=mgM+m,只有当M≫m时,a=mgM,才有a∝mg,图线才能为直线,所以要满足钩码的质量远小于小车(含发射器)的质量.‎ ‎(1)非线性　(2)存在摩擦力　(3)调节轨道的倾斜度以平衡摩擦力　远小于小车(含发射器)的质量 ‎2.[2020湖北浠水模拟]某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及物体质量m关系的实验,图甲所示为实验装置简图(交流电源的频率为50 Hz).‎ 图甲 ‎(1)图乙所示为某次实验得到的纸带,根据纸带可求出小车的加速度大小为　　　m/s2.(保留2位有效数字) ‎ 图乙 ‎(2)保持砂和砂桶的质量不变,改变小车质量m,分别得到小车加速度a与质量m及对应的‎1‎m,数据如下表.‎ 序号 ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ ‎7‎ ‎8‎ ‎1.‎ ‎1.‎ ‎1.‎ ‎1.‎ ‎1.‎ ‎0.‎ ‎0.‎ ‎0.30‎ - 6 -‎ 小车加速度 a/(m·s-2)‎ ‎90‎ ‎72‎ ‎49‎ ‎25‎ ‎00‎ ‎75‎ ‎50‎ 小车质量 m/kg ‎0.25‎ ‎0.29‎ ‎0.33‎ ‎0.40‎ ‎0.50‎ ‎0.71‎ ‎1.00‎ ‎1.67‎ ‎1‎m‎/kg-1‎ ‎4.00‎ ‎3.45‎ ‎3.03‎ ‎2.50‎ ‎2.00‎ ‎1.41‎ ‎1.00‎ ‎0.60‎ 请在图丙所示的坐标纸中画出a-‎1‎m图线.由图线可得小车的加速度a与质量的倒数‎1‎m之间的关系式为　　　　. ‎ ‎　　　　　　　 图丙　　　　　　　　　　　　　　图丁 ‎(3)保持小车的质量不变,改变砂和砂桶的质量,该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F变化的图线,如图丁所示.该图线不通过原点,其主要原因是 ‎ ‎　. ‎ ‎3如图甲所示是某同学探究加速度与力的关系的实验装置.他在导轨上安装了一个光电门B.滑块上固定一遮光条,滑块用细线绕过导轨左端的定滑轮与力传感器相连,传感器下方悬挂钩码,每次滑块都从A处由静止释放.‎ - 6 -‎ ‎(1)该同学用游标卡尺测量遮光条的宽度d,如图乙所示,则d=　　　　mm. ‎ ‎(2)实验时,将滑块从A位置由静止释放,由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t,若要得到滑块的加速度,还需要测量的物理量是　　　　,可得加速度a=　　　　. ‎ ‎(3)下列不必要的一项实验要求是　　　　.(请填选项前对应的字母) ‎ A.应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量 B.应使A位置与光电门间的距离适当大些 C.应将导轨调节水平 D.应使细线与导轨平行 ‎(4)不改变钩码质量,经多次测量求得滑块加速度的平均值 - 6 -‎