【物理】2019届一轮复习人教版实验三加速度与物体质量物体受力的关系学案

【物理】2019届一轮复习人教版实验三加速度与物体质量物体受力的关系学案

第12讲　实验三 加速度与物体质量 物体受力的关系 考情剖析 考查内容 考纲要求 考查年份 考查详情 能力要求 实验、探究：‎ 加速度与物体质量、‎ 物体受力的关系 Ⅱ ‎16年 T11—实验，验证机械能守恒 理解、应用数学 处理物理问题 ‎17年 T10—实验，用探究加速度与力和质量的关系装置，探究恒力做功与动能变化的关系 实验探究 弱项清单,实验原理和实验方法的迁移 实验储备一、实验原理 ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎1．保持质量不变，探究加速度与____________的关系．‎ ‎2．保持合外力不变，探究加速度与____________的关系．‎ ‎3．作出aF图象和a图象，确定其关系．‎ ‎4．实验装置图 ‎5．要测量的物理量 小车与小车上砝码的总质量M——天平 小车受的拉力F——用天平测出小盘和砝码的质量m，F≈mg算出 小车的加速度a——通过打点计时器打出的纸带测算出．‎ 二、实验器材 打点计时器、纸带及复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘和砝码、细绳、低压交流电源、天平(带有一套砝码)、刻度尺．‎ 三、实验步骤 ‎1．用天平测出小车和小盘(包括其中砝码)的质量分别为M0、m0，并把数值记录下来．‎ ‎2．将实验器材安装好(小车上不系绳)．‎ ‎3．把木板无滑轮的一端下面垫一薄木板，平衡摩擦力．‎ ‎4．将重物通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，用纸带记录小车的运动情况；取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂重物的重力m0g.‎ ‎5．保持小车的质量不变，改变小盘(包括其中砝码)的质量，重复步骤4多做几次实验，每次小车从同一位置释放，并记录好相应纸带重物的重力m1g、m2g…‎ 表1　M不变，加速度a与受力的关系 实验次数n 小车受力F/N 加速度a/(m·s－2)‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎…‎ ‎　　6.保持小车所受的合外力不变，在小车上加砝码，并测出小车和放上砝码后的总质量M1，接通电源放开小车，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带并在纸带上标上号码．‎ ‎7．继续在小车上加放砝码，重复步骤6，多做几次实验，在每次得到的纸带上标上号码．‎ 表2　F不变，加速度与质量的关系 实验次数n 小车质量M/kg 加速度a/(m·s－2)‎ ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎…‎ ‎　　8.利用以上两表中的数据，分别在坐标系中作出M不变时，aF图象和F不变时，aM图象．‎ 四、实验数据的处理方法——图象法、化曲为直的方法 ‎1．探究加速度与力的关系 以加速度a为纵坐标，以F为横坐标，根据测量的数据描点，然后作出图象，看图象是否是通过原点的直线，就能判断a与F是否成正比．‎ ‎2．探究加速度与质量的关系 以a为纵坐标、m为横坐标，根据各组数据在坐标系中描点，将会得到如图甲所示的一条曲线．由图线只能看出m增大时a减小，但a与m具体是什么关系，不能得出．若以a为纵坐标，为横坐标，将会得到如图乙所示的一条过原点的倾斜直线，据此可判断a与m成反比．‎ 甲 ‎　　乙 ‎3．方法总结 利用图象处理数据是物理实验中常用的重要方法．在实验中如果发现一个变量x与另一个变量y成反比，那么，x就应与成正比．因为在处理数据时，判断正比例函数图象比判断一条曲线是否为反比例函数图象要简单和直观得多，所以可以将反比例函数的曲线转化为正比例函数的直线进行处理．‎ 五、分析、归纳、探究结论 ‎1．你在图(a)中画出的aF图象是通过原点的直线吗？说明a与F成什么关系？‎ ‎　(a)　　　　　　 　(b)　　　　　 　　(c)‎ ‎2．你在图(b)中画出的aM图象是直线吗？你能从(b)图中得出a与质量M的定量关系吗？‎ ‎3．你在图(c)中画出的a图象是过原点的直线吗？你能由图象得出a与M的关系吗？‎ ‎4．在误差允许的范围内得出的结论是：当M不变时，a与F成正比关系；当F不变时，a与M成反比关系．‎ 六、实验误差来源与分析 ‎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mg代替小车的拉力，而实际小车所受的拉力要________小盘和砝码的总重力．小盘和砝码的总质量越接近小车和砝码的总质量，误差越大．‎ ‎2．摩擦力平衡不准；质量测量不准；记数点间距测量不准；纸带拉线不严格与木板平行．‎ 七、注意事项 ‎1．平衡摩擦力时不要挂重物，整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变盘和砝码的质量还是改变小车及砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力．‎ ‎2．实验中必须满足小车和砝码的质量远大于小盘和砝码的总质量．只有如此，砝码和小盘的总重力才可视为与小车受到的拉力相等．‎ ‎3．各纸带上的加速度a，都应是该纸带上的平均加速度．‎ ‎4．作图象时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线的两侧．离直线较远的点是错误数据，可舍去不予考虑．‎ ‎5．小车应靠近打点计时器且先接通电源再释放纸带．技能优化　　【典型例题1】　如图甲所示是某同学设计的“探究加速度a与力F、质量m的关系”的实验装置图，实验中认为细绳对小车拉力F等于砂和砂桶总重力，小车运动加速度a可由纸带求得．‎ 甲 ‎(1)该同学对于该实验的认识，下列说法中正确的是(　　)‎ ‎ A．该实验应用了等效替代的思想方法 ‎ B．该实验应用了控制变量的思想方法 ‎ C．实验时必须先接通电源后释放小车 ‎ D．实验中认为细绳对小车拉力F等于砂和砂桶总重力，其前提必须保证砂和砂桶总质量远远大于小车的质量 ‎(2)如图乙所示是该同学在某次实验中利用打点计时器打出的一条纸带，A、B、C、D、E、F是该同学在纸带上选取的六个计数点，其中计数点间还有若干个点未标出，设相邻两个计数点间的时间间隔为T.该同学用刻度尺测出AC间的距离为s1，BD间的距离为s2，则打B点时小车运动的速度vB＝__________，小车运动的加速度a＝__________．‎ 乙 ‎(3)某实验小组在实验时保持砂和砂桶质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m及对应的数据如表中所示．根据表中数据，在图丙坐标纸中作出F不变时a与的图象.‎ 次数 ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ ‎6‎ 小车加速度 a/m·s－2‎ ‎1.72‎ ‎1.49‎ ‎1.25‎ ‎1.00‎ ‎0.75‎ ‎0.50‎ 小车质量m/kg ‎0.29‎ ‎0.33‎ ‎0.40‎ ‎0.50‎ ‎0.71‎ ‎1.00‎ 小车质量的倒数 /kg－1‎ ‎3.50‎ ‎3.00‎ ‎2.50‎ ‎2.00‎ ‎1.40‎ ‎1.00‎ 丙 ‎【典型例题2】　某同学设计了如图所示的装置来探究加速度与力的关系．弹簧测力计固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧测力计的挂钩和矿泉水瓶连接，在桌面上画出两条平行线MN、PQ，并测出间距d.开始时将木板置于MN处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧测力计的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小．再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧测力计的示数F1，然后释放木板，并用停表记下木板运动到PQ处的时间t.‎ ‎(1)木板的加速度可以用d、t表示为a＝________；为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是(一种即可)________________________________________________________________________．‎ ‎(2)改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度a与弹簧测力计示数F1的关系．下列图象能表示该同学实验结果的是______．‎ ‎ A　　　　　　B　　　　　　C　　　　　D ‎(3)用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相同，它的优点是________．‎ ‎ A．可以改变滑动摩擦力的大小 ‎ B．可以更方便地获取多组实验数据 ‎ C．可以比较精确地测出摩擦力的大小 ‎ D．可以获得更大的加速度以提高实验精度 ‎【典型例题3】　某物理课外小组利用图(a)中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系．图中，置于实验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮；轻绳跨过滑轮，一端与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码．本实验中可用的钩码共有N＝5个，每个质量均为0.010 kg.实验步骤如下：‎ ‎(a)‎ ‎(1)将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物块，使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑．‎ ‎(2)将n(依次取n＝1，2，3，4，5)个钩码挂在轻绳右端，其余N－n个钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行．释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制st图象，经数据处理后可得到相应的加速度a.‎ ‎(3)对应于不同的n的a值见下表．n＝2时的st图象如图(b)所示；由图(b)求出此时小车的加速度(保留2位有效数字)，将结果填入下表.‎ n ‎1‎ ‎2‎ ‎3‎ ‎4‎ ‎5‎ a/(m·s－2)‎ ‎0.20‎ ‎0.58‎ ‎0.78‎ ‎1.00‎ ‎　　(4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点，并作出an图象．从图象可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比．‎ ‎(b)‎ ‎(c)‎ ‎(5)利用an图象求得小车(空载)的质量为________kg(保留2位有效数字，重力加速度取g＝9.8 m·s－2)．‎ ‎(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是______(填入正确选项前的标号)．‎ ‎ A．an图线不再是直线 ‎ B．an图线仍是直线，但该直线不过原点 ‎ C．an图线仍是直线，但该直线的斜率变大 当堂检测　　1.某实验小组利用图甲所示的装置探究加速度与力、质量的关系．‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ 甲 ‎(1)下列做法正确的是______．(填字母代号)‎ ‎ A．调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行 ‎ B．在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上 ‎ C．实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源 ‎ D．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度 ‎(2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量____________木块和木块上砝码的总质量．(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)‎ ‎(3)甲、乙两同学在同一实验室，各取一套图甲所示的装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，分别得到图乙中甲、乙两条直线．设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图可知，m甲______m乙，μ甲______μ乙．(选填“大于”、“小于”或“等于”)‎ 乙 第1题图 ‎2．用如图甲所示装置做“探究物体的加速度跟力的关系”的实验．实验时保持小车的质量不变，用钩码所受的重力作为小车受到的合力，用打点计时器和小车后端拖动的纸带测出小车运动的加速度．‎ ‎(1)实验时先不挂钩码，反复调整垫块的左右位置，直到小车做匀速直线运动，这样做的目的是______________________________________________________________．‎ ‎(2)图乙为实验中打出的一条纸带的一部分，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两个计数点之间都有4个点迹没有标出，测出各计数点到A点之间的距离，如图所示．已知打点计时器接在频率为50 Hz的交流电源两端，则此次实验中小车运动的加速度的测量值a＝________m/s2.(结果保留两位有效数字)‎ ‎(3)实验时改变所挂钩码的质量，分别测量小车在不同外力作用下的加速度．根据测得的多组数据画出aF关系图象，如图丙所示．此图象的AB段明显偏离直线，造成此现象的主要原因可能是______．(选填下列选项的序号)‎ 第2题图 ‎ A．小车与平面轨道之间存在摩擦 ‎ B．平面轨道倾斜角度过大 ‎ C．所挂钩码的总质量过大 ‎ D．所用小车的质量过大 第12讲　实验三：加速度与 物体质量、物体受力的关系 实验储备 一、1.合外力　2.质量 六、1.小于 技能优化 ‎·典型例题1·(1)BC　(2)　　(3)见解析 ‎【解析】　(1)该实验用的是控制变量法，故A错，B对；先开通电源才能确定起始点，故C对；若认为拉力F为小桶和沙的重量，则要求小桶和沙的质量远远小于小车，D错；故选BC；(2)由运动学公式可知：vB＝，由a＝得出a＝；(3)由F＝ma可推出a＝＝F×，所以当F不变时，a与成正比例函数，如图所示．‎ ‎·典型例题2·(1)　保持F1不变，重复实验多次测量，求平均值　(2)C　(3)BC ‎【解析】　(1)由d＝at2可得a＝.减小偶然误差的主要方法是多次测量，求平均值．‎ ‎(2)由题意可知，F1是水瓶的重力，设绳中拉力为FT，对木板，a＝，在M板≫m水时FT≈F1，a＝，排除A、B选项；逐渐增加水的质量，将不再满足FT≈F1，而是FT＜F1，将导致小车加速度实际值较理论值偏小，故选项C正确．‎ ‎(3)改变质量且可以连续改变．‎ ‎·典型例题3·(3)0.39　(4)见解析 ‎(5)0.44　(6)BC　【解析】　(3)根据题图(b)可知，当t＝2.00 s时，位移s＝0.78 m，由s＝at2，得加速度a＝＝0.39 m/s2.‎ ‎(4)描点及图象如图所示．‎ ‎(5)根据牛顿第二定律可得nmg＝(M＋5m)a，则a＝n，图线斜率k＝＝，可得M＝0.44 kg；‎ ‎(6)若不平衡摩擦力，则有nmg－μ[M＋(5－n)m]g＝(M＋5m)a，则a＝n－，所以an图线仍是直线，但直线不过原点，斜率变大，故B、C正确．‎ 当堂检测 ‎1．(1)AD　(2)远小于　(3)小于　大于　【解析】　(1)在探究加速度与力、质量的关系的实验中，平衡摩擦力时木板不通过定滑轮挂砝码桶，而要挂纸带，并且改变质量时不需要重新平衡摩擦力；在实验时应先接通电源再放开木块，故选项A、D均正确，B、C均错误．‎ ‎(2)选木块(M)、砝码桶及桶内的砝码(m)为研究对象，‎ 则mg＝(M＋m)a　①‎ 选砝码桶及桶内的砝码为研究对象 则mg－FT＝ma　②‎ 联立①②得：FT＝mg－ 要使FT＝mg 需要接近于0即M≫m.‎ ‎(3)对木块由牛顿第二定律得：‎ F－μmg＝ma 即a＝F－μg.‎ 由上式与题图结合可知：＞，μ甲g＞μ乙g.‎ 即：m甲＜m乙，μ甲＞μ乙．‎ ‎2. (1)平衡小车运动中所受的摩擦阻力　　(2)1.0　(3)C ‎【解析】　(1)使平面轨道的右端垫起，让小车重力沿斜面方向的分力与它受到的摩擦阻力平衡，才能认为在实验中小车所受的合外力等于钩码的重力，所以这样做的目的是平衡小车运动中所受的摩擦阻力．‎ ‎(2)由逐差法可知a＝ ‎＝ m/s2≈1.0 m/s2.‎ ‎(3)在实验中认为细绳的张力F等于钩码的重力mg 实际上，细绳张力F′＝Ma，mg－F′＝ma 即F′＝·mg，a＝·mg＝F 所以当细绳的张力F变大时，m必定变大，必定减小．当M≫m时，aF图像为直线，当不满足M≫m时，便有aF图像的斜率逐渐变小偏离直线，选项C正确．‎