本實驗的難點是測量小車的合力，實驗通過兩個“替代”關(guān)系測量小車的合力，使小車合力的測量轉(zhuǎn)化為對懸掛物重力的測量。1．平衡摩擦力——用小車所受的拉力替代合力小車受力為重力、拉力、阻力、支持力，平衡摩擦力后，使重力、阻力和支持力的合力為零，則小車所受的拉力等于小車的合力。
[題組訓(xùn)練]某實驗小組利用如圖所示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。
(1)實驗中除了需要小車、砝碼、托盤、細繩、附有定滑輪的長木板、墊木、打點計時器、低壓交流電源、兩根導(dǎo)線、復(fù)寫紙、紙帶之外，還需要________、________。
(2)下列做法正確的是________。A．調(diào)節(jié)滑輪的高度，使?fàn)恳≤嚨募毨K與長木板保持平行B．在調(diào)節(jié)木板傾斜角度平衡小車受到的滑動摩擦力時，將裝有砝碼的托盤通過定滑輪拴在小車上C．實驗時，先放開小車，再接通打點計時器的電源D．通過增減小車上的砝碼改變質(zhì)量時，不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜度E．用托盤和盤內(nèi)砝碼的重力作為小車和車上砝碼受到的合外力，為減小誤差，實驗中一定要保證托盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于小車和車上砝碼的總質(zhì)量
[解析]　(1)實驗中需要用托盤和砝碼的總重力表示小車受到的拉力，需測量托盤的質(zhì)量，還需要測定小車的質(zhì)量，所以還需要天平。 實驗中需要用刻度尺測量紙帶上點跡間的距離，從而得出加速度，所以還需要刻度尺。
(2)平衡摩擦力時應(yīng)系上紙帶，不能掛托盤。調(diào)節(jié)滑輪的高度，使?fàn)恳≤嚨募毨K與長木板保持平行，A項正確，B項錯誤；平衡摩擦力后細繩與木板平行，且托盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于小車和車上砝碼的總質(zhì)量時，托盤和砝碼的總重力近似等于小車和車上砝碼受到的合外力，E項正確；實驗時應(yīng)該先接通電源，后釋放小車，使得紙帶上點跡多一些，以便于測量加速度，還要多測幾組數(shù)據(jù)減小偶然誤差，C項錯誤；通過增減小車上的砝碼改變質(zhì)量時，不需要重新調(diào)節(jié)木板的傾斜角度，D項正確。
[答案]　(1)天平　刻度尺　(2)ADE　(3)反比　過大
本實驗的偶然誤差主要由質(zhì)量的測量、計數(shù)點間距測量引起，可通過多次測量取平均值減小誤差。本實驗的系統(tǒng)誤差主要由兩個因素產(chǎn)生，分析如下：(1)平衡摩擦力不準(zhǔn)造成的誤差圖線a-F不通過原點，分兩種情況：①當(dāng)平衡摩擦力不夠時，F(xiàn)≠0，a＝0。②當(dāng)平衡摩擦力過度時，F(xiàn)＝0，a≠0。
[題組訓(xùn)練]1．某組同學(xué)設(shè)計了“探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量m的關(guān)系”實驗。圖甲為實驗裝置簡圖，A為小車，B為電火花計時器，C為裝有細砂的小桶，D為一端帶有定滑輪的長方形木板，實驗中認為細繩對小車的拉力F等于細砂和小桶的總重力，小車運動的加速度a可用紙帶上打出的點求得。
(1)圖乙為某次實驗得到的紙帶，已知實驗所用電源的頻率為50 Hz。根據(jù)紙帶可求出電火花計時器打B點時的速度為________ m/s，小車的加速度大小為______ m/s2。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)
(2)在“探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系”時，某同學(xué)按照自己的方案將實驗數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中進行了標(biāo)注，但尚未完成圖像(如圖丙所示)。請繼續(xù)幫助該同學(xué)作出坐標(biāo)系中的圖像。
(3)在“探究加速度a與合力F的關(guān)系”時，該同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出了加速度a與合力F的圖線如圖丁，該圖線不通過坐標(biāo)原點，試分析圖線不通過坐標(biāo)原點的原因。__________________________________________________。
(2)將坐標(biāo)系中各點連成一條直線，連線時應(yīng)使直線過盡可能多的點，不在直線上的點應(yīng)大致對稱地分布在直線的兩側(cè)，離直線較遠的點應(yīng)視為錯誤數(shù)據(jù)，不予考慮，連線如圖所示：
(3)圖線與橫軸有截距，說明實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠。[答案]　(1)1.6　3.2　(2)見解析　(3)實驗前沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠
2．(2023·江蘇曲塘中學(xué)質(zhì)檢)某次“探究加速度a跟物體所受合力F和質(zhì)量m的關(guān)系”的實驗過程是：
(1)圖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A、B、C、D、E間的時間間隔為0.1 s，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為________m/s2(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。
(2)保持小車質(zhì)量不變，改變沙和沙桶質(zhì)量，進行多次測量。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)做出了加速度a隨拉力F的變化圖線，如圖丙所示。圖中直線沒有通過原點，其主要原因是__________________。
[答案]　(1)0.43　(2)實驗前未平衡摩擦力(或平衡摩擦力不充分)　(3)a.如圖所示
b．圖線為過原點的直線，表明在合外力一定時，加速度跟質(zhì)量成反比
3．用如圖1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木板放在實驗桌上，小車的左端連接穿過打點計時器的紙帶，右端連接細線，細線繞過定滑輪且掛有托盤和砝碼，通過墊塊調(diào)節(jié)木板左端高度補償摩擦阻力。
(1)下列實驗操作中正確的有________。A．先釋放小車后接通電源B．調(diào)整定滑輪使細線與長木板平行C．補償摩擦力時必須移去紙帶D．補償摩擦力時必須移去托盤和砝碼
(2)某次實驗打出的一條紙帶如圖2所示，測得計數(shù)點1、2、3、4與0計數(shù)點間的距離分別為x1＝3.60 cm、x2＝9.61 cm、x3＝18.01 cm、x4＝28.81 cm。已知打點計時器打點周期為0.02 s，相鄰計數(shù)點間有四個打點未畫出，則小車的加速度a＝________ m/s2(結(jié)果保留3位有效數(shù)字)。
合力一定時，當(dāng)托盤和砝碼的總質(zhì)量遠小于小車和車內(nèi)沙子的總質(zhì)量m總時，小車和車內(nèi)沙子的加速度a與質(zhì)量m總成反比。
高考實驗題一般源于教材而不拘泥于教材，是在教材實驗的基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)新情境，通過改變實驗條件、實驗儀器設(shè)置題目，不脫離教材而又不拘泥于教材，體現(xiàn)開放性、探究性、設(shè)計性等特點，本實驗創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下幾方面：
類型2　實驗拓展與創(chuàng)新
[題組訓(xùn)練]1．(實驗?zāi)康牡膭?chuàng)新)現(xiàn)要測量滑塊與木板之間的動摩擦因數(shù)，實驗裝置如圖1所示。表面粗糙的木板一端固定在水平桌面上，另一端抬起一定高度構(gòu)成斜面；木板上有一滑塊，其后端與穿過打點計時器的紙帶相連；打點計時器固定在木板上，連接頻率為50 Hz 的交流電源。接通電源后，從靜止釋放滑塊，滑塊帶動紙帶打出一系列的點跡。
(1)圖2給出的是實驗中獲取的一條紙帶的一部分：0、1、2、3、4、5、6是實驗中選取的計數(shù)點，每相鄰兩計數(shù)點間還有4個點(圖中未標(biāo)出)，2、3和5、6計數(shù)點的距離如圖2所示。由圖中數(shù)據(jù)求出滑塊的加速度a＝________ m/s2(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)。
(2)已知木板的長度為L，為了求出滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)，還應(yīng)測量的物理量是________。A．滑塊到達斜面底端的速度vB．滑塊的質(zhì)量mC．滑塊的運動時間tD．斜面高度h和底邊長度x(3)設(shè)重力加速度為g，滑塊與木板間的動摩擦因數(shù)的表達式為μ＝________(用所需測物理量的字母表示)。
(2)由mgsin θ－μmgcs θ＝ma可知，要求μ，需要知道滑塊的加速度、木板與桌面間夾角的正弦值和余弦值，根據(jù)紙帶數(shù)據(jù)可算出滑塊的加速度大小，再根據(jù)斜面高度h和底邊長度x，結(jié)合三角形知識，即可求解，故A、B、C錯誤，D正確。
2．(實驗?zāi)康牡膭?chuàng)新)(2021·江蘇省新高考適應(yīng)性考試)用如圖1所示的實驗裝置測量木塊與長木板間的動摩擦因數(shù)μ。把左端帶有滑輪的長木板平放在實驗桌上，載有砝碼的木塊右端連接穿過打點計時器的紙帶，左端連接細線，細線繞過定滑輪掛有槽碼，木塊在槽碼的牽引下運動，通過紙帶測量木塊的加速度，并測出木塊與砝碼的總質(zhì)量M，槽碼的總質(zhì)量m，計算木塊與木板之間的摩擦力Ff。改變M和m進行多次實驗。
(1)下列實驗操作步驟，正確順序是________。①釋放木塊②接通打點計時器電源③將木板固定在水平桌面上④調(diào)節(jié)滑輪高度使細線與木板平行⑤將紙帶穿過打點計時器的限位孔并固定在木塊上
(2)實驗打出的一段紙帶如圖2所示，打點計時器的工作頻率為50 Hz，圖中紙帶按實際尺寸畫出，則木塊的加速度為____ m/s2。
(3)甲同學(xué)測得的數(shù)據(jù)見下表。
請根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在方格紙上作出f-M圖像。
(4)已知重力加速度g＝9.80 m/s2，可求得該木塊與木板的動摩擦因數(shù)μ＝________。(5)乙同學(xué)用(3)問表中的數(shù)據(jù)逐一計算出每次測量的μ值，取其平均值作為測量結(jié)果。他發(fā)現(xiàn)該值比甲同學(xué)在(4)問中得出的μ值大。你認為哪位同學(xué)的結(jié)果更準(zhǔn)確，請簡要說明理由。_______________________________________________
[解析]　(1)實驗時，將木板固定在水平桌面上，接著將紙帶穿過打點計時器的限位孔并固定在木塊上，然后把細線拴在小車上，使細線跨過定滑輪并掛上槽碼，調(diào)節(jié)滑輪高度使細線與木板平行。再接通打點計時器電源，接著釋放木塊。最后關(guān)閉電源，取下紙帶。故正確順序是③⑤④②①。
(2)如圖所示每四個點選用一個計數(shù)點，標(biāo)上字母。則計數(shù)點之間的時間間隔為T＝0.02 s×4＝0.08 s用刻度尺測得C、E兩點到O點的距離分別為xOC＝3.90 cm，xOE＝9.00 cm，由逐差法得
(3)根據(jù)表中數(shù)據(jù)描點，用平滑的曲線連接如下
(5)用圖像法求μ，需要連線，連線時盡量讓更多的點在線上，但不會去將就每一個點。這樣偏離直線較遠的點，說明有問題，可以自動排除。但乙同學(xué)通過求平均值就做不到這一點，因此甲同學(xué)的結(jié)果更準(zhǔn)確。[答案]　(1)③⑤④②①　(2)0.47　(3)見解析(4)0.33(0.32～0.34)　(5)見解析
3．(實驗?zāi)康牡膭?chuàng)新)(2023·江蘇南通高三月考)某物理課外小組利用如圖甲所示的裝置完成“探究小車的加速度與其所受合外力F之間的關(guān)系”實驗。
(1)請補充完整下列實驗步驟的相關(guān)內(nèi)容：①用天平測量砝碼盤的質(zhì)量m0：用游標(biāo)卡尺測量遮光片的寬度d，游標(biāo)卡尺的示數(shù)如圖乙所示，則其讀數(shù)為________ cm；②按圖甲所示安裝好實驗裝置，用米尺測量兩光電門之間的距離s；③在砝碼盤中放入適量的砝碼，適當(dāng)調(diào)節(jié)長木板的傾角，直到輕推小車，遮光片先后經(jīng)過光電門A和光電門B的時間相等；
④取下細線和砝碼盤，記下砝碼盤中砝碼的質(zhì)量m；⑤讓小車從靠近滑輪處由靜止釋放，用數(shù)字毫秒計分別測出遮光片經(jīng)過光電門A和光電門B所用的時間ΔtA和ΔtB；⑥重新掛上細線和砝碼盤，改變砝碼盤中砝碼的質(zhì)量和長木板的傾角，重復(fù)③～⑤步驟。
(2)步驟⑤中，小車從光電門A下滑至光電門B的過程中所受合外力為________，小車的加速度為________。(用上述步驟中的物理量表示，重力加速度為g)(3)本實驗中，以下操作或要求是為了減小實驗誤差的是________。A．盡量減小兩光電門間的距離sB．盡量增大遮光片的dC．調(diào)整滑輪，使細線與長木板平行D．砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量
[解析]　(1)游標(biāo)卡尺的主尺讀數(shù)為2 mm，游標(biāo)尺上第5個刻度和主尺上某一刻度對齊，所以游標(biāo)讀數(shù)為5×0.05 mm＝0.25 mm所以最終讀數(shù)為2 mm＋0.25 mm＝2.25 mm＝0.225 cm。
(3)盡量增大兩光電門間的距離s，減小遮光片的寬度d，距離s大一些，寬度d小一些，誤差小一些，故A、B錯誤；調(diào)整滑輪，使細線與長木板平行，否則撤去繩子后，合力不等于繩子拉力，故C正確；本實驗沒有用砝碼盤和盤中砝碼的重力代替繩子的拉力，不需要滿足砝碼和砝碼盤的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，故D錯誤。
4．(實驗?zāi)康呐c過程的創(chuàng)新)(2023·江蘇南京金陵中學(xué)高三模擬)木—木間動摩擦因數(shù)大致在0.3左右，現(xiàn)測量實驗室中某木塊與木板間動摩擦因數(shù)μ。
(1)采用圖甲所示實驗裝置，正確進行實驗操作，得到圖乙所示的一條紙帶。①從某個清晰的打點開始依次標(biāo)注0、1、2、3、4、5、6，分別測出0點到各點的距離d1、d2、d3、d4、d5、d6。已知打點周期T，求得各點木塊運動速度vi，其中第4點木塊的速度v4＝________；取0點時刻為零時刻，作v-t圖得到木塊加速度為a，已知木塊的質(zhì)量M、鉤碼的質(zhì)量m及當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭，則木塊與木板間動摩擦因數(shù)μ＝________(用題給的已知量a、M、m表示)。
②關(guān)于上述實驗操作過程：長木板必須保持______(選填傾斜、水平)；鉤碼質(zhì)量________(必須、不必)遠小于木塊質(zhì)量。③對實驗結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)μ測量值偏大，請列出一條產(chǎn)生誤差的原因：___________________________________________。
(2)只有一把刻度尺，已知懸掛重物和木塊質(zhì)量分別是m＝0.3 kg、M＝0.5 kg，而當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭未知，某同學(xué)用圖丙裝置測量木塊與長木板間動摩擦因數(shù)μ，細線跨過水平長木板左端定滑輪一端懸掛重物，另一端連接靜止在水平長木板上A點的木塊，懸掛重物離地高度h。釋放木塊、重物開始運動，重物著地后不再反彈，木塊最終停在B點，刻度尺測量AB間距離為s，保持木塊釋放點位置不變，多次改變重物下落高度h，測得對應(yīng)s，作s-h圖如圖丁，圖線斜率為k＝1.5，則木塊與木板間動摩擦因數(shù)μ＝________。
　丙　　　　　　　　　丁
②由于該實驗需要測量木塊與木板間動摩擦因數(shù)，不需要平衡摩擦力，所以長木板必須保持水平；根據(jù)牛頓第二定律可知鉤碼的重力mg與細繩對木塊的拉力T＝mg－ma不相等，所以鉤碼質(zhì)量不必遠小于木塊質(zhì)量；③對實驗結(jié)果分析，產(chǎn)生誤差的原因是細線與滑輪、紙帶與打點計時器的阻力。

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