實(shí)驗(yàn)04 探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系1.理解實(shí)驗(yàn)的原理,明確實(shí)驗(yàn)過(guò)程并能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.2.了解實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng),會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行誤差分析.3.能對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn).1.實(shí)驗(yàn)原理(1)保持質(zhì)量不變,探究加速度跟合外力的關(guān)系.(2)保持合外力不變,探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系.(3)作出aF圖像和a圖像,確定aF、m的關(guān)系.2.實(shí)驗(yàn)器材小車、槽碼、細(xì)繩、一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板、墊木、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、學(xué)生電源、導(dǎo)線、紙帶、天平、刻度尺、坐標(biāo)紙.3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程(1)測(cè)量:用天平測(cè)量槽碼的質(zhì)量m和小車的質(zhì)量m.(2)安裝:按照如圖所示裝置把實(shí)驗(yàn)器材安裝好,只是不把懸掛槽碼的細(xì)繩系在小車上(即不給小車牽引力)(3)補(bǔ)償阻力:在長(zhǎng)木板不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊,使小車能勻速下滑.(4)操作:槽碼通過(guò)細(xì)繩繞過(guò)定滑輪系于小車上,先接通電源后放開小車,斷開電源,取下紙帶,編號(hào)碼.保持小車的質(zhì)量m不變,改變槽碼的質(zhì)量m,重復(fù)步驟①.在每條紙帶上選取一段比較理想的部分,計(jì)算加速度a.描點(diǎn)作圖,作aF的圖像.保持槽碼的質(zhì)量m不變,改變小車質(zhì)量m,重復(fù)步驟,作a圖像.4.?dāng)?shù)據(jù)處理(1)利用逐差法或vt圖像法求a.(2)a為縱坐標(biāo),F為橫坐標(biāo),描點(diǎn)、畫線,如果該線為過(guò)原點(diǎn)的直線,說(shuō)明aF成正比.(3)a為縱坐標(biāo),為橫坐標(biāo),描點(diǎn)、畫線,如果該線為過(guò)原點(diǎn)的直線,就能判定am成反比.5.注意事項(xiàng)(1)開始實(shí)驗(yàn)前首先補(bǔ)償阻力:適當(dāng)墊高木板不帶定滑輪的一端,使小車的重力沿斜面方向的分力正好補(bǔ)償小車和紙帶受到的阻力.在補(bǔ)償阻力時(shí),不要把懸掛槽碼的細(xì)繩系在小車上,讓小車?yán)┻^(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶勻速運(yùn)動(dòng).(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不用重復(fù)補(bǔ)償阻力.(3)實(shí)驗(yàn)必須保證的條件:m?m′.(4)一先一后一按:改變拉力或小車質(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,后釋放小車,且應(yīng)在小車到達(dá)滑輪前按住小車.6.誤差分析(1)實(shí)驗(yàn)原理不完善:本實(shí)驗(yàn)用槽碼的總重力mg代替小車的拉力,而實(shí)際上小車所受的拉力要小于槽碼的總重力.(2)補(bǔ)償阻力不準(zhǔn)確、質(zhì)量測(cè)量不準(zhǔn)確、計(jì)數(shù)點(diǎn)間距離測(cè)量不準(zhǔn)確、紙帶和細(xì)繩不嚴(yán)格與木板平行都會(huì)引起誤差.典例12022·全國(guó)·高三課時(shí)練習(xí))某實(shí)驗(yàn)小組采用如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置,研究小車質(zhì)量不變時(shí),其加速度a與所受合力F的關(guān)系。1)在補(bǔ)償阻力這步操作中,______(選填需要不需要)通過(guò)細(xì)繩把砂桶掛在小車上;2)實(shí)驗(yàn)中得到的一條紙帶如圖乙所示,相鄰的兩計(jì)數(shù)點(diǎn)之間還有4個(gè)點(diǎn)未畫出,用毫米刻度尺測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)已在圖中標(biāo)出。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的打點(diǎn)周期為0.02s,則該小車運(yùn)動(dòng)的加速度大小為________m/s2(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字);3)該實(shí)驗(yàn)小組把砂和砂桶的總重力當(dāng)成小車的合力F,根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù),采用圖像法處理數(shù)據(jù),畫出a-F圖像如圖丙所示,發(fā)現(xiàn)圖線上端彎曲,其原因可能是_______________4)關(guān)于本實(shí)驗(yàn)存在的誤差,以下說(shuō)法正確的是________A.在圖乙中,每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)均存在偶然誤差B.把砂和砂桶的總重力當(dāng)成小車的合力導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中存在系統(tǒng)誤差C.實(shí)驗(yàn)中用圖像法處理數(shù)據(jù)可以減小系統(tǒng)誤差【答案】     不需要     0.39     小車質(zhì)量沒(méi)有遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂和砂桶的總質(zhì)量     AB##BA【解析】(1[1]本實(shí)驗(yàn)中小車所受阻力是通過(guò)小車重力沿木板向下的分力進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?,在補(bǔ)償阻力這步操作中,不需要通過(guò)細(xì)繩把砂桶掛在小車上。2[2]由題意可知相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔為根據(jù)逐差法可得該小車運(yùn)動(dòng)的加速度大小為am/s2≈0.39m/s23[3]該實(shí)驗(yàn)小組把砂和砂桶的總重力mg當(dāng)成小車的合力F,設(shè)小車質(zhì)量為M,對(duì)小車根據(jù)牛頓第二定律有對(duì)砂和砂桶同理有聯(lián)立解得由上式可知只有當(dāng)時(shí)才有隨著F(即mg)的增大,m將逐漸不滿足,使得a-F圖像的斜率開始偏離,逐漸變?yōu)?/span>,造成斜率減小,從而使圖像向下彎曲。所以圖線上端彎曲,其原因可能是小車質(zhì)量沒(méi)有遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于砂和砂桶的總質(zhì)量。4[4]A.偶然誤差源于測(cè)量時(shí)的偶然因素,每次測(cè)量時(shí)都會(huì)存在,所以在題圖乙中,每個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)均存在偶然誤差,選項(xiàng)A正確;B.根據(jù)(3)題分析可知,把砂和砂桶的總重力當(dāng)成小車的合力導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中存在誤差,屬于實(shí)驗(yàn)原理不完善造成的誤差,即系統(tǒng)誤差,選項(xiàng)B正確;C.實(shí)驗(yàn)中用圖像法處理數(shù)據(jù)可以減小偶然誤差,系統(tǒng)誤差無(wú)法通過(guò)多次測(cè)量取平均值或圖像法來(lái)減小,選項(xiàng)C錯(cuò)誤。故選AB典例22022·上海黃浦·二模)某同學(xué)用如圖a所示的裝置驗(yàn)證加速度與力的關(guān)系。1)為平衡摩擦力,將軌道一端略抬高,給小車一初速度使其在軌道上運(yùn)動(dòng),利用位移傳感器獲得小車的速度-時(shí)間圖像如圖b,則應(yīng)適當(dāng)___________(選填增大”“減小)軌道傾角。平衡摩擦后,操作中要控制___________(選填小車”“鉤碼)的質(zhì)量不變。 2)經(jīng)過(guò)正確操作,所測(cè)量的拉力與加速度的數(shù)據(jù)如表。請(qǐng)?jiān)趫Dc。中用“×”補(bǔ)充完成序號(hào)為 4、5 的數(shù)據(jù)描點(diǎn)并做出 a-F 圖像。 ___________序號(hào)F/Na/m·s-210.140.3920.190.5330.240.6740.250.8050.340.943)某同學(xué)對(duì)將鉤碼的重力大小視為小車所受拉力的大小的做法提出質(zhì)疑,并開展了如下研究:他在小車上固定一個(gè)力傳感器,可直接測(cè)得小車所受拉力。測(cè)得小車與傳感器總質(zhì)量為 0.486kg,改變鉤碼質(zhì)量,多次實(shí)驗(yàn),測(cè)得多組鉤碼重力與小車所受拉力,圖d。中的圖線、分別為鉤碼重力、小車所受拉力隨鉤碼質(zhì)量變化的關(guān)系圖像。請(qǐng)根據(jù)圖像,針對(duì)該同學(xué)的質(zhì)疑給出回答。 ___________【答案】     減小     小車          當(dāng)鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量時(shí),鉤碼的重力大小可近似視為小車所受的拉力大小【解析】1[1] b 可知小車獲得一初速度后做勻加速運(yùn)動(dòng),說(shuō)明重力沿斜面向下的分力大于摩擦力,應(yīng)適當(dāng)減小軌道傾角。[2] 該實(shí)驗(yàn)要驗(yàn)證加速度與力的關(guān)系,平衡摩擦后,操作中要控制小車的質(zhì)量不變。2[3] 3[4]由圖像d可知,當(dāng)鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量時(shí),鉤碼的重力大小可近似視為小車所受的拉力大小。典例32022·天津市西青區(qū)楊柳青第一中學(xué)模擬預(yù)測(cè))探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中,做如下探究:1)為猜想加速度與質(zhì)量的關(guān)系,可利用圖1所示裝置進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。兩小車放在水平板上,前端通過(guò)鉤碼牽引,后端各系一條細(xì)線,用板擦把兩條細(xì)線按在桌上,使小車靜止。抬起板擦,小車同時(shí)運(yùn)動(dòng),一段時(shí)間后按下板擦,小車同時(shí)停下。對(duì)比兩小車的位移,可知加速度與質(zhì)量大致成反比。關(guān)于實(shí)驗(yàn)條件,下列正確的是:______(選填選項(xiàng)前的字母)。A.小車質(zhì)量相同,鉤碼質(zhì)量不同B.小車質(zhì)量不同,鉤碼質(zhì)量相同C.小車質(zhì)量不同,鉤碼質(zhì)量不同2)在探究加速度與力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)之前,需要思考如何測(cè)。為了簡(jiǎn)化的測(cè)量,如圖2所示,下列說(shuō)法正確的是:______(選填選項(xiàng)前的字母)。A.使小車沿傾角合適的斜面運(yùn)動(dòng),小車受力可等效為只受繩的拉力B.若斜面傾角過(guò)大,小車所受合力將小于繩的拉力C.無(wú)論小車運(yùn)動(dòng)的加速度多大,砂和桶的重力都等于繩的拉力D.讓小車的運(yùn)動(dòng)趨近于勻速運(yùn)動(dòng),砂和桶的重力才近似等于繩的拉力【答案】     B     AD【解析】(1[1]探究加速度與質(zhì)量關(guān)系,需要保持兩小車所受合外力相同,所以牽引小車的鉤碼相同,小車質(zhì)量不同,故AC錯(cuò)誤,B正確。故選B。2[2]A.小車受到重力,桌面支持力,輕繩拉力和桌面的摩擦力。若小車沿傾角合適的斜面做勻速運(yùn)動(dòng),使得小車重力沿斜面向下的分力與摩擦力平衡,小車所受合力可等效為只受輕繩的拉力,故A正確;B.若斜面傾角過(guò)大,使得小車重力沿斜面向下的分力大于摩擦力,則小車所受合力大于輕繩的拉力,故B錯(cuò)誤;CD.只有小車的加速度足夠小時(shí),即趨近于勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),砂和砂桶的重力才近似等于繩的拉力,故C錯(cuò)誤,D正確。故選AD。典例42022·全國(guó)·高三專題練習(xí))用如圖甲所示的裝置探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系,把右端帶有滑輪的長(zhǎng)木板放在實(shí)驗(yàn)桌上,小車的左端連接穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶,右端連接細(xì)線,細(xì)線繞過(guò)定滑輪掛有托盤和砝碼,通過(guò)墊塊調(diào)節(jié)木板左端高度平衡摩擦力。1)下列實(shí)驗(yàn)操作正確的有___________。 A.先釋放小車后接通電源             B.調(diào)整定滑輪使細(xì)線與長(zhǎng)木板平行C.平衡摩擦力時(shí)必須移去紙帶       D.平衡摩擦力時(shí)必須移去托盤和砝碼2)某次實(shí)驗(yàn)打出的一條紙帶如圖乙所示,測(cè)得計(jì)數(shù)點(diǎn)12、3、40計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離分別為x1=3.60 cm、x2=9.61 cmx3=18.01 cm、x4=28.81 cm。已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)周期為0.02 s,相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間有四個(gè)點(diǎn)未畫出,則小車的加速度a=___________ m/s2(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。 3)實(shí)驗(yàn)中保持托盤和砝碼的總質(zhì)量不變,改變小車和車內(nèi)沙子的總質(zhì)量M,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)打出紙帶,算出相應(yīng)的加速度a,數(shù)據(jù)描在圖丙中,請(qǐng)?jiān)趫D丙中根據(jù)描出的點(diǎn)作出a-圖像___________;由圖像可得出的結(jié)論是___________。 【答案】     BD     2.40          在托盤和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和車內(nèi)沙子的總質(zhì)量M的情況下,合力一定時(shí),小車和車內(nèi)沙子的加速度a與質(zhì)量M成反比【解析】(1[1]A.應(yīng)先接通電源再釋放小車,A錯(cuò)誤;B.調(diào)整定滑輪使細(xì)線與長(zhǎng)木板平行,以保證小車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中合力不變,B正確;C.平衡摩擦力時(shí)必須連接紙帶,C錯(cuò)誤;D.平衡摩擦力時(shí)必須移去托盤和砝碼,用小車重力分力來(lái)平衡摩擦力,D正確。故選BD。2[2]小車的加速度a= =2.40 m/s23[3]將圖中各點(diǎn)用平滑曲線連接,如答案圖所示。[4]由圖像可以看出,在托盤和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和車內(nèi)沙子的總質(zhì)量M的情況下,合力一定時(shí),小車和車內(nèi)沙子的加速度a與質(zhì)量M成反比。典例52022·全國(guó)·高三專題練習(xí))1)在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中,小張同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案,試圖通過(guò)彈簧秤讀數(shù)獲得繩子拉力的數(shù)據(jù)以減小實(shí)驗(yàn)誤差,其裝置如圖甲所示。以下的實(shí)驗(yàn)操作有必要的是______(多選)A.平衡小車與軌道之間的摩擦力B.所掛重物質(zhì)量必須遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量C.懸掛動(dòng)滑輪的兩側(cè)細(xì)線應(yīng)相互平行某次實(shí)驗(yàn)中,小車釋放后彈簧秤示數(shù)如圖乙所示,其讀數(shù)為______N,其讀數(shù)______(選填大于、小于等于)小車靜止時(shí)彈簧秤的讀數(shù)。在探究小車加速度與質(zhì)量關(guān)系時(shí),保持懸掛重物質(zhì)量不變,通過(guò)增減小車上鉤碼數(shù)量改變小車質(zhì)量,獲得兩條紙帶的部分點(diǎn)跡如下圖所示,則紙帶______(選填圖丙圖丁)對(duì)應(yīng)的小車質(zhì)量較大。【答案】     AC##CA     0.55     小于     圖丙【解析】①[1]A探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中需要平衡摩擦力,故A正確;B.圖中彈簧測(cè)力計(jì)可以直接測(cè)出繩子拉力,不需要所掛重物質(zhì)量必須遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量,故B錯(cuò)誤;C.為了保證繩子拉力是小車所受合力,應(yīng)使懸掛動(dòng)滑輪的兩側(cè)細(xì)線應(yīng)相互平行,故C正確;②[2][3]彈簧測(cè)力計(jì)分度值為0.2N,則其讀數(shù)為0.55N;車釋放后,重物處于失重狀態(tài),則繩子拉力小于重物靜止時(shí)的拉力;③[4]根據(jù)牛頓第二定律可知質(zhì)量越大加速度越小,根據(jù)相鄰相等時(shí)間內(nèi)的位移差變小,可知圖丙符合。典例62022·陜西寶雞·二模)如圖甲所示是某研究性學(xué)習(xí)小組探究小車加速度與力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置,長(zhǎng)木板置于水平桌面上,一端系有沙桶的細(xì)繩通過(guò)滑輪與固定的拉力傳感器相連,拉力傳感器可顯示繩中拉力F的大小,改變桶中沙的質(zhì)量進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。完成下列問(wèn)題:1)實(shí)驗(yàn)時(shí),下列操作或說(shuō)法正確的是______A.需要用天平測(cè)出沙和沙桶的總質(zhì)量B.為減小誤差,實(shí)驗(yàn)中一定要保證沙和沙桶的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量C.選用電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器比選用電火花計(jì)時(shí)器實(shí)驗(yàn)誤差小D.小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,先接通電源,再釋放小車,打出一條紙帶,同時(shí)記錄拉力傳感器的示數(shù)2)實(shí)驗(yàn)中得到一條紙帶,相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間有四個(gè)點(diǎn)未標(biāo)出,各計(jì)數(shù)點(diǎn)到A點(diǎn)的距離如圖乙所示。電源的頻率為50Hz,則由紙帶可知小車的加速度大小為_______m/s2。(保留三位有效數(shù)字)3)以拉力傳感器的示數(shù)F為橫坐標(biāo),以小車加速度a為縱坐標(biāo),畫出的aF圖像可能正確的是_______ABCD【答案】     D     1.48     A【解析】(1[1]AB.有拉力傳感器測(cè)小車受到的拉力,不需要用天平測(cè)出沙和沙桶的總質(zhì)量,也不用保證沙和沙桶的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量,AB錯(cuò)誤;C.電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器并不比電火花計(jì)時(shí)器誤差小,C錯(cuò)誤;D.小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,先接通電源,再釋放小車,打出一條紙帶,同時(shí)記錄拉力傳感器的示數(shù),D正確。故選D2[2]電源的頻率為50Hz,相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間有四個(gè)點(diǎn)未標(biāo)出,則相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)時(shí)間間隔為T = 0.1s根據(jù)逐差法3[3]因長(zhǎng)木板置于水平桌面,未平衡摩擦力,則有一定的拉力時(shí)才會(huì)產(chǎn)生加速度,而本實(shí)驗(yàn)通過(guò)拉力傳感器測(cè)力,則aF圖像是一條直線。故選A。   
 

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