導學教程高考物理總復習 第三章 牛頓運動定律 實驗四 探究加速度與力、質量的關系課件 新人教版

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1、實驗四實驗四探究加速度與力、質量的關系探究加速度與力、質量的關系【實驗目的實驗目的】1 1學會用控制變量法研究物理規(guī)律。學會用控制變量法研究物理規(guī)律。2 2探究加速度與力、質量的關系。探究加速度與力、質量的關系。3 3掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法。掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法。課前預習課前預習基礎落實基礎落實【實驗原理實驗原理】探究加速度探究加速度a a與力與力F F及質量及質量M M的關系時，應用的基的關系時，應用的基本方法是控制變量法，即先控制一個參量本方法是控制變量法，即先控制一個參量小車小車的質量的質量M M不變，討論加速度不變，討論加速度a a與力與力F F的關系，再控制小的關系，再控制

2、小盤和砝碼的質量不變，即力盤和砝碼的質量不變，即力F F不變，改變小車質量不變，改變小車質量M M，討論加速度討論加速度a a與與M M的關系。的關系?！緦嶒炂鞑膶嶒炂鞑摹看螯c計時器；紙帶及復寫紙；小車；一端附有打點計時器；紙帶及復寫紙；小車；一端附有定滑輪的長木板；小盤和砝碼；細繩；低壓交流電定滑輪的長木板；小盤和砝碼；細繩；低壓交流電源；導線；天平；刻度尺。源；導線；天平；刻度尺?！緦嶒灢襟E實驗步驟】1 1用天平測量小盤的質量用天平測量小盤的質量m m0 0和小車的質量和小車的質量M M0 0。2 2按圖實按圖實1 1所示把實驗器材安裝好，只是所示把實驗器材安裝好，只是不把懸掛小盤的細繩系

3、在小車上不把懸掛小盤的細繩系在小車上( (即不給小車加牽引即不給小車加牽引力力) )。圖實圖實13平衡摩擦力：在長木板的不帶定滑輪的一端平衡摩擦力：在長木板的不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木板，反復移動薄木板的位置，直下面墊上一塊薄木板，反復移動薄木板的位置，直至小車在斜面上運動時可以保持勻速直線運動狀態(tài)。至小車在斜面上運動時可以保持勻速直線運動狀態(tài)。這時，小車拖著紙帶運動時受到的摩擦阻力恰好與這時，小車拖著紙帶運動時受到的摩擦阻力恰好與小車所受的重力在斜面方向上的分力平衡。小車所受的重力在斜面方向上的分力平衡。4把小車停在打點計時器處，并在小盤內放入把小車停在打點計時器處，并在小盤內放入適量

4、的砝碼，掛上小盤和砝碼，先接通電源，再讓適量的砝碼，掛上小盤和砝碼，先接通電源，再讓小車拖著紙帶在木板上勻加速下滑，打出一條紙帶。小車拖著紙帶在木板上勻加速下滑，打出一條紙帶。5改變小盤內砝碼的個數(shù)，重復步驟改變小盤內砝碼的個數(shù)，重復步驟(4)，并多，并多做幾次。做幾次。6保持小盤內的砝碼個數(shù)不變，在小車上放上保持小盤內的砝碼個數(shù)不變，在小車上放上砝碼改變小車的質量，讓小車在木板上滑動打出紙砝碼改變小車的質量，讓小車在木板上滑動打出紙帶。帶。7改變小車上砝碼的個數(shù)，重復步驟改變小車上砝碼的個數(shù)，重復步驟(6)?！緮?shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理】1保持小車質量不變時，計算各次小盤和砝碼保持小車質量不變時，計算

5、各次小盤和砝碼的重力的重力(作為小車的合力作為小車的合力)及對應紙帶的加速度填入表及對應紙帶的加速度填入表(一一)中。中。表表(一一)實驗次數(shù)實驗次數(shù)加速度加速度a/(ms2)小車受力小車受力F/N12342.保持小盤內的砝碼個數(shù)不變時，計算各次小車保持小盤內的砝碼個數(shù)不變時，計算各次小車和砝碼的總質量及對應紙帶的加速度，填入表和砝碼的總質量及對應紙帶的加速度，填入表(二二)中。中。表表(二二)實驗次數(shù)實驗次數(shù)加速度加速度a/(ms2)小車和砝碼的總質量小車和砝碼的總質量M/kg1234【誤差分析誤差分析】1 1因實驗原理不完善造成誤差：本實驗中用小因實驗原理不完善造成誤差：本實驗中用小盤和砝

6、碼的總重力代替小車受到的拉力盤和砝碼的總重力代替小車受到的拉力( (實際上小車實際上小車受到的拉力要小于小盤和砝碼的總重力受到的拉力要小于小盤和砝碼的總重力) )，存在系統(tǒng)，存在系統(tǒng)誤差。誤差。2 2摩擦力平衡不準確、質量測量不準確、計數(shù)摩擦力平衡不準確、質量測量不準確、計數(shù)點間距測量不準確、紙帶和細繩不嚴格與木板平行點間距測量不準確、紙帶和細繩不嚴格與木板平行都會引起誤差。都會引起誤差。【注意事項注意事項】1 1在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細線系在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細線系在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小在小車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著打點的紙帶運

7、動。車拖著打點的紙帶運動。2 2實驗步驟實驗步驟2 2、3 3不需要重復，即整個實驗平衡不需要重復，即整個實驗平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤和砝碼的總質量了摩擦力后，不管以后是改變小盤和砝碼的總質量還是改變小車和砝碼的總質量，都不需要重新平衡還是改變小車和砝碼的總質量，都不需要重新平衡摩擦力。摩擦力。3每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的每條紙帶必須在滿足小車與車上所加砝碼的總質量遠大于小盤和砝碼的總質量的條件下打出。總質量遠大于小盤和砝碼的總質量的條件下打出。只有如此，小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到只有如此，小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力。的拉力。4改變拉力和小車質量后，

8、每次開始時小車應改變拉力和小車質量后，每次開始時小車應盡量靠近打點計時器，并應先接通電源，再放開小盡量靠近打點計時器，并應先接通電源，再放開小車，且應在小車到達滑輪前按住小車。車，且應在小車到達滑輪前按住小車。課堂互動課堂互動考點突破考點突破考點一實驗原理及操作考點一實驗原理及操作例例1某實驗小組利用圖實某實驗小組利用圖實2所示的裝置探所示的裝置探究加速度與力、質量的關系。究加速度與力、質量的關系。圖實圖實2(1)(多選多選)下列做法正確的是下列做法正確的是_(填字母代填字母代號號)。A調節(jié)滑輪的高度，使牽引木塊的細繩與長木調節(jié)滑輪的高度，使牽引木塊的細繩與長木板保持平行板保持平行B在調節(jié)木板

9、傾斜度平衡木塊受到的滑動摩擦在調節(jié)木板傾斜度平衡木塊受到的滑動摩擦力時，將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在木塊上力時，將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在木塊上C實驗時，先放開木塊再接通打點計時器的電源實驗時，先放開木塊再接通打點計時器的電源D通過增減木塊上的砝碼改變質量時，不需要通過增減木塊上的砝碼改變質量時，不需要重新調節(jié)木板傾斜度重新調節(jié)木板傾斜度(2)為使砝碼桶及桶內砝碼的總重力在數(shù)值上近為使砝碼桶及桶內砝碼的總重力在數(shù)值上近似等于木塊運動時受到的拉力，應滿足的條件是砝似等于木塊運動時受到的拉力，應滿足的條件是砝碼桶及桶內砝碼的總質量碼桶及桶內砝碼的總質量_木塊和木塊上砝木塊和木塊上砝碼的總

10、質量。碼的總質量。(選填選填“遠大于遠大于”，“遠小于遠小于”或或“近近似等于似等于”)(3)甲、乙兩同學在同一實驗室，各取一套圖實甲、乙兩同學在同一實驗室，各取一套圖實2所示的裝置放在水平桌面上，木塊上均不放砝碼，所示的裝置放在水平桌面上，木塊上均不放砝碼，在沒有平衡摩擦力的情況下，研究加速度在沒有平衡摩擦力的情況下，研究加速度a與拉力與拉力F的的關系，分別得到圖實關系，分別得到圖實3中甲、乙兩條直線。設甲、中甲、乙兩條直線。設甲、乙用的木塊質量分別為乙用的木塊質量分別為m甲甲、m乙乙，甲、乙用的木塊與木，甲、乙用的木塊與木板間的動摩擦因數(shù)分別為板間的動摩擦因數(shù)分別為甲甲、乙乙，由圖可知，由

11、圖可知，m甲甲 _m乙乙 ，甲甲_乙乙。(選填選填“大于大于”“”“小于小于”或或“等于等于”)圖實圖實3 解析解析(1)木塊下滑時，受到重力、細線的拉木塊下滑時，受到重力、細線的拉力、支持力和摩擦力，要使拉力等于合力，應該使力、支持力和摩擦力，要使拉力等于合力，應該使細繩與長木板平行且使重力的下滑分量細繩與長木板平行且使重力的下滑分量mgsin 等于等于摩擦力摩擦力mgcos ，即，即mgsin mgcos (其中其中為木板為木板的傾角的傾角)，故平衡摩擦力時，不能懸掛砝碼桶，故平衡摩擦力時，不能懸掛砝碼桶，A正正確、確、B錯誤；由平衡摩擦力的公式可知兩邊的質量錯誤；由平衡摩擦力的公式可知兩

12、邊的質量m可以消去，故改變木塊上的砝碼的質量時，木塊及可以消去，故改變木塊上的砝碼的質量時，木塊及其上砝碼的總重力的下滑力仍能和總的摩擦力抵消，其上砝碼的總重力的下滑力仍能和總的摩擦力抵消，不需要重新調節(jié)木板傾斜度，故不需要重新調節(jié)木板傾斜度，故D正確；通過紙帶求正確；通過紙帶求木塊加速度，要求打點計時器在紙帶上打出足夠多木塊加速度，要求打點計時器在紙帶上打出足夠多的點，這就要求將木塊放在靠近打點計時器的位置，的點，這就要求將木塊放在靠近打點計時器的位置，并且先接通打點計時器，待打點穩(wěn)定后再釋放小車，并且先接通打點計時器，待打點穩(wěn)定后再釋放小車，故選項故選項C錯誤。錯誤。 (2)(2)實驗中平

13、衡好摩擦力后，繩的拉力提供木實驗中平衡好摩擦力后，繩的拉力提供木塊的合外力即塊的合外力即Fma；砝碼桶及桶內砝碼與木塊運動；砝碼桶及桶內砝碼與木塊運動的速度相等，由牛頓第二定律得的速度相等，由牛頓第二定律得mgFma，兩式，兩式聯(lián)立得聯(lián)立得mg(mm)a，當，當mm時，時，mmm，mgma即當即當mm時，砝碼桶及桶內砝碼的總重力時，砝碼桶及桶內砝碼的總重力近似等于木塊運動時受到的拉力，故應選填近似等于木塊運動時受到的拉力，故應選填“遠小遠小于于”。 答案答案(1)AD(2)遠小于遠小于(3)小于大于小于大于規(guī)律總結規(guī)律總結1在平衡摩擦力時，要取下細線和砝碼盤在平衡摩擦力時，要取下細線和砝碼盤(

14、含砝含砝碼碼)，但小車應連著紙帶且接通電源。用手給小車一，但小車應連著紙帶且接通電源。用手給小車一個初速度，如果紙帶上打出的點的間隔是均勻的，個初速度，如果紙帶上打出的點的間隔是均勻的，表明小車受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力表明小車受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡。平衡摩擦力后，不管以后是改變砝碼盤和砝平衡。平衡摩擦力后，不管以后是改變砝碼盤和砝碼的總質量還是改變小車和鉤碼的總質量還是改變碼的總質量還是改變小車和鉤碼的總質量還是改變小車和鉤碼的總質量，都不需要重新平衡摩擦力。小車和鉤碼的總質量，都不需要重新平衡摩擦力。2在滿足小車與車上所加鉤碼的總質量遠大于在滿足小車與車上所加鉤

15、碼的總質量遠大于砝碼盤和砝碼的總質量的條件下，小車受到的拉力砝碼盤和砝碼的總質量的條件下，小車受到的拉力才可視為等于砝碼盤和砝碼的總重力。才可視為等于砝碼盤和砝碼的總重力。1 (2014課標課標)某同學利用圖實某同學利用圖實4甲所示甲所示實驗裝置及數(shù)字化信息系統(tǒng)獲得了小車加速度實驗裝置及數(shù)字化信息系統(tǒng)獲得了小車加速度a與鉤與鉤碼的質量碼的質量m的對應關系圖，如圖乙所示。實驗中小車的對應關系圖，如圖乙所示。實驗中小車(含發(fā)射器含發(fā)射器)的質量為的質量為200 g，實驗時選擇了不可伸長的，實驗時選擇了不可伸長的輕質細繩和輕定滑輪，小車的加速度由位移傳感器輕質細繩和輕定滑輪，小車的加速度由位移傳感器

16、及與之相連的計算機得到，回答下列問題：及與之相連的計算機得到，回答下列問題：圖實圖實4 (1)(1)根據(jù)該同學的結果，小車的加速度與鉤碼根據(jù)該同學的結果，小車的加速度與鉤碼的質量成的質量成_(填填“線性線性”或或“非線性非線性”)關系。關系。(2)由圖乙可知，由圖乙可知，am圖線不經過原點，可能的圖線不經過原點，可能的原因是原因是_。(3)若利用本實驗裝置來驗證若利用本實驗裝置來驗證“在小車質量不變在小車質量不變的情況下，小車的加速度與作用力成正比的情況下，小車的加速度與作用力成正比”的結論，的結論，并直接以鉤碼所受重力并直接以鉤碼所受重力mg作為小車受到的合外力，作為小車受到的合外力，則實驗

17、中應采取的改進措施是則實驗中應采取的改進措施是_。鉤碼的質量應滿足的條件。鉤碼的質量應滿足的條件是是_。解析解析(1)將圖乙中各點連線，得到的是一條曲將圖乙中各點連線，得到的是一條曲線，故線，故a與與m的關系是非線性的。的關系是非線性的。(2)由圖乙可知，當鉤碼質量不為零時，在一定由圖乙可知，當鉤碼質量不為零時，在一定范圍內小車加速度仍為零，即鉤碼對小車的拉力大范圍內小車加速度仍為零，即鉤碼對小車的拉力大于某一數(shù)值時小車才產生加速度，故可能的原因是于某一數(shù)值時小車才產生加速度，故可能的原因是存在摩擦力。存在摩擦力。答案答案(1)非線性非線性(2)存在摩擦力存在摩擦力 (3)調節(jié)軌調節(jié)軌道的傾斜

18、度以平衡摩擦力遠小于小車的質量道的傾斜度以平衡摩擦力遠小于小車的質量考點二實驗數(shù)據(jù)的處理考點二實驗數(shù)據(jù)的處理例例2(2016寧德質檢寧德質檢)某次某次“探究加速度探究加速度a跟物跟物體所受合力體所受合力F和質量和質量m的關系的關系”實驗過程是：實驗過程是：圖實圖實5(1)(1)圖實圖實5甲所示為實驗裝置圖。圖乙為某甲所示為實驗裝置圖。圖乙為某次實驗得到的一段紙帶，計數(shù)點次實驗得到的一段紙帶，計數(shù)點A、B、C、D、E間間的時間間隔為的時間間隔為0.1 s，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為大小為_m/s2(結果保留兩位有效數(shù)字結果保留兩位有效數(shù)字)。(2)保持小車質量不

19、變，改變砂和砂桶質量，進保持小車質量不變，改變砂和砂桶質量，進行多次測量。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做出了加速度行多次測量。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做出了加速度a隨拉力隨拉力F的變化圖線，如圖實的變化圖線，如圖實6所示。圖中直線沒有通過所示。圖中直線沒有通過原點，其主要原因是原點，其主要原因是_。圖實圖實6答案答案(1)0.43(2)實驗前未平衡摩擦力實驗前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分或平衡摩擦力不充分)(3)如圖所示如圖所示圖線為過原點的直線，表明在合外力一定時，圖線為過原點的直線，表明在合外力一定時，加速度跟質量成反比加速度跟質量成反比2 (2016江西聯(lián)考江西聯(lián)考)為了探究質量一定時加速度與為了探究質量一定時

20、加速度與力的關系，一同學設計了如圖實力的關系，一同學設計了如圖實8所示的實驗裝所示的實驗裝置。其中置。其中M為帶滑輪的小車的質量，為帶滑輪的小車的質量，m為砂和砂桶為砂和砂桶的質量。的質量。(滑輪質量不計滑輪質量不計)圖實圖實8(1)(多選多選)下列實驗步驟正確的是下列實驗步驟正確的是_。A用天平測出砂和砂桶的質量用天平測出砂和砂桶的質量B將帶滑輪的長木板右端墊高，以平衡摩擦力將帶滑輪的長木板右端墊高，以平衡摩擦力C小車靠近打點計時器，先接通電源，再釋放小小車靠近打點計時器，先接通電源，再釋放小車，打出一條紙帶，同時記錄彈簧測力計的示數(shù)車，打出一條紙帶，同時記錄彈簧測力計的示數(shù)D改變砂和砂桶的

21、質量，打出幾條紙帶改變砂和砂桶的質量，打出幾條紙帶E為減小誤差，實驗中一定要保證砂和砂桶的質為減小誤差，實驗中一定要保證砂和砂桶的質量量m遠小于小車的質量遠小于小車的質量M(2)該同學在實驗中得到如圖實該同學在實驗中得到如圖實9所示的一條紙所示的一條紙帶帶(兩計數(shù)點間還有兩個點沒有畫出兩計數(shù)點間還有兩個點沒有畫出)，已知打點計，已知打點計時器采用的是頻率為時器采用的是頻率為50 Hz的交流電，根據(jù)紙帶可求的交流電，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度為出小車的加速度為_m/s2(結果保留兩位有效結果保留兩位有效數(shù)字數(shù)字)。圖實圖實9 (3)以彈簧測力計的示數(shù)以彈簧測力計的示數(shù)F為橫坐標，加速度為縱為橫坐

22、標，加速度為縱坐標，畫出的坐標，畫出的aF圖象是一條直線，圖線與橫坐標圖象是一條直線，圖線與橫坐標的夾角為的夾角為，求得圖線的斜率為，求得圖線的斜率為k，則小車的質量為，則小車的質量為_。圖實圖實10解析解析(1)由實驗原理圖可以看出，由彈簧測力計由實驗原理圖可以看出，由彈簧測力計的示數(shù)可得到小車所受的合外力的大小，故不需要的示數(shù)可得到小車所受的合外力的大小，故不需要測砂和砂桶的質量，也不需要保證砂和砂桶的質量測砂和砂桶的質量，也不需要保證砂和砂桶的質量m遠小于小車的質量遠小于小車的質量M，A、E錯；為保證繩上拉力錯；為保證繩上拉力提供合外力，必須平衡摩擦力，提供合外力，必須平衡摩擦力，B對；

23、小車應靠近對；小車應靠近打點計時器，先接通電源，再放小車，同時讀出彈打點計時器，先接通電源，再放小車，同時讀出彈簧測力計的示數(shù)，簧測力計的示數(shù)，C對；為了多測幾組數(shù)據(jù)，需改對；為了多測幾組數(shù)據(jù)，需改變砂和砂桶的質量多做幾次實驗，變砂和砂桶的質量多做幾次實驗，D對。對。答案答案(1)BCD(2)1.3(3)D例例3某同學利用如圖實某同學利用如圖實11甲所示的裝置探甲所示的裝置探究究“小車的加速度與所受合外力的關系小車的加速度與所受合外力的關系”，具體實，具體實驗步驟如下：驗步驟如下：圖實圖實11A按照圖示安裝好實驗裝置，掛上砂桶按照圖示安裝好實驗裝置，掛上砂桶(含少量含少量砂子砂子)；B調節(jié)長木

24、板的傾角，輕推小車后，使小車沿長調節(jié)長木板的傾角，輕推小車后，使小車沿長木板向下運動，且通過兩個光電門的時間相等；木板向下運動，且通過兩個光電門的時間相等；C取下細繩和砂桶，測量砂子和桶的總質最取下細繩和砂桶，測量砂子和桶的總質最m，并記下；并記下；D保持長木板的傾角不變，不掛砂桶，將小車置保持長木板的傾角不變，不掛砂桶，將小車置于靠近滑輪的位置，由靜止釋放小車，記錄小車先于靠近滑輪的位置，由靜止釋放小車，記錄小車先后通過光電門甲和乙時顯示的時間；后通過光電門甲和乙時顯示的時間；E重新掛上細繩和砂桶，改變砂桶中砂子的質量，重新掛上細繩和砂桶，改變砂桶中砂子的質量，重復重復B、C、D步驟。步驟。

25、(1)若砂桶和砂子的總質量為若砂桶和砂子的總質量為m，小車的質量為，小車的質量為M，重力加速度為重力加速度為g，則步驟，則步驟D中小車加速下滑時所受合中小車加速下滑時所受合力大小為力大小為_。(忽略空氣阻力忽略空氣阻力)(2)如圖乙所示，用游標卡尺測得小車上遮光片的如圖乙所示，用游標卡尺測得小車上遮光片的寬度為寬度為_mm。(3)若遮光片的寬度為若遮光片的寬度為d，光電門甲、乙之間的距離，光電門甲、乙之間的距離為為l，通過光電門甲和乙時顯示的時間分別為，通過光電門甲和乙時顯示的時間分別為t1、t2，則小車的加速度則小車的加速度a_。(4)有關本實驗的說法正確的是有關本實驗的說法正確的是A砂桶和

26、砂子的總質量必須遠小于小車的質量砂桶和砂子的總質量必須遠小于小車的質量B小車的質量必須遠小于砂桶和砂子的總質量小車的質量必須遠小于砂桶和砂子的總質量C平衡摩擦力時要取下細繩和砂桶平衡摩擦力時要取下細繩和砂桶D平衡摩擦力時不能取下細繩和砂桶平衡摩擦力時不能取下細繩和砂桶(4)設平衡摩擦力時木板的傾角為設平衡摩擦力時木板的傾角為，則，則mgMgcos Mgsin ，可以看出，可以看出m與與M之間只需滿足之間只需滿足上式即可，選項上式即可，選項A、B錯誤，由于此題中實驗步驟錯誤，由于此題中實驗步驟B在砂桶拉力作用下小車平衡，取下細繩和砂桶后，在砂桶拉力作用下小車平衡，取下細繩和砂桶后，小車加速下滑時所受合力大小等于砂桶和砂子的總小車加速下滑時所受合力大小等于砂桶和砂子的總重力重力mg，平衡摩擦力時不能取下細繩和砂桶，小車，平衡摩擦力時不能取下細繩和砂桶，小車重力沿斜面的分力必須與砂桶和砂子的總重力以及重力沿斜面的分力必須與砂桶和砂子的總重力以及小車向下運動所受摩擦力之和相等，選項小車向下運動所受摩擦力之和相等，選項C錯誤、錯誤、D正確。正確。