1、【 精品教育资源文库 】 实验四 探究加速度与力、质量的关系 考纲要求 考情分析 命题趋势 验证牛顿第二定律 2016 全国卷 ， 23 2015 全国卷 ， 22 高考对本实验的考查主要侧重于以下三个方面： 1.实验条件的控制，如托盘砝码的总质量要远小于小车的质量、平衡摩擦力等； 2.对 “ 控制变量法 ” 的理解和应用； 3.通过图象分析实验数据及误差分析 知识梳理 夯实基础 一、实验流程 二、注意事项 1实验方法：控制变量法 2平衡摩擦力：不悬挂小盘，但小车连着纸带 3不重复：不重复平衡摩擦力 4实验条件： M?m.小 盘和砝码的总重力可视为小车受到的拉力 5一先一后一按住：先接通电源
2、，后放小车，且在小车到达滑轮前按住小球 6作图：作图时两轴标度比例要适当，各量须采用国际单位 【 精品教育资源文库 】 三、误差分析 1因实验原理不完善引起误差以小车、小盘和砝码整体为研究对象得 mg (M m)a；以小车为研究对象得 F Ma；求得 F MM mmg 11 mMmgmg. 本实验用小盘和砝码的总重力 mg 代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力小盘和砝码的总质量越小于小 车的质量，由此引起的误差就越小因此，满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量的目的就是减小因实验原理不完善而引起的误差 2摩擦力平衡不准确造成误差在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其他的
3、均与正式实验一样 (比如要挂好纸带、接通打点计时器 )，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各相邻两点间的距离相等 3质量的测量误差、纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差、细绳或纸带不与木板平行等都会引起误差 核心考点 分层突破 考点 1 实验原理与基本操作 例 1图为 “ 探究加速度与力、质量的关系 ” 的实验装置示意图 砂和砂桶的总质量为m，小车和砝码的总质量为 M.实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小 (1)实验中，为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，先调节长木板一端滑轮的高度，使细线与长木板平行接下来还需要进行的一项操作是 _B_.(填正确答案标号 ) A将
4、长木板水平放置，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，给打点计时器通电，调节 m 的大小，使小车在砂和砂桶的牵引下运动，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动 B将长木板的一端垫起适当的高度，让小车连着已经穿过打点计时器的纸带，撤去砂和砂 桶，给打点计时器通电，轻推小车，从打出的纸带判断小车是否做匀速运动 C将长木板的一端垫起适当的高度，撤去纸带以及砂和砂桶，轻推小车，观察判断小车是否做匀速运动 (2)实验中要进行质量 m 和 M 的选取，以下最合理的一组是 _C_.(选填正确答案标号 ) A M 200 g m 10 g、 15 g、 20 g、 25 g、 30 g、 40 g B M 200
5、g m 20 g、 40 g、 60 g、 80 g、 100 g、 120 g C M 400 g m 10 g、 15 g、 20 g、 25 g、 30 g、 40 g D M 400 g m 20 g、 40 g、 60 g、 80 g、 100 g、 120 g 【 精品教育资源文库 】 (3)如图所示，是实验中得到的一条纸带， A、 B、 C、 D、 E、 F、 G 为 7 个相邻的计数点，相邻的两个计数点之间还有四个点未画出量出相邻的计数点之间的距离分别为 xAB 4.22 cm、 xBC 4.65 cm、 xCD 5.08 cm、 xDE 5.49 cm、 xEF 5.91
6、cm、 xFG 6.34 cm.已知打点计时器的工作频率为 50 Hz，则小车的加速度 a _0.42_m/s2.(结果保留两位有效数字 ) 解析 (1)小车在 运动过程中受到重力、支持力、纸带的拉力、木板对小车的摩擦力和细线拉力的作用为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合力，应把木板的一端垫起适当的高度，以使重力、支持力、纸带的拉力和摩擦力的合力为零，即小车做匀速运动，因此在进行这一操作时，不应挂砂桶，小车应连接纸带，选项 A、 C 错误， B 正确 (2)由于细线的拉力不易测量，本实验中用砂和砂桶的总重力来代替细线的拉力，而砂桶做加速运动，设加速度大小为 a，则 FT m(g a)，当砂桶
7、的加速度很小时， FT近似等于 mg，因此实验中应控制实验条件，使砂桶的加速度很小只有当 小车的质量远大于砂和砂桶的总质量时，小车和砂桶的加速度才很小，细线的拉力才近似等于砂和砂桶的总重力选项 C 正确 (3)相邻两计数点间的时间 T 0.1 s，由 x aT2可得 a xFG xEF xDE ?xCD xBC xAB?9T2 ，代入数据解得a 0.42 m/s2. 考点 2 实验原理与数据处理 例 2某物理实验课外小组利用图甲中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系图甲中，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
8、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： (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 相对于位移其起始位置的位移 s，绘制 s t 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 的 s t 图象如图乙所示，由图 乙求出此时小车的加速度 (保留两位有效数字 )，将结果填
9、入下表 . n 1 2 3 4 5 a/(m 0 _0.3 0 0 1【 精品教育资源文库 】 s 2) .20 9_ .58 .78 .00 (4)利用表中的数据在图丙中补齐数据点，并作出 a n 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 丙 (5)利用 a n 图象求得小车 (空载 )的质量为 _0.44_kg.(保留两位有效数字，重力加速度取 g 9.8 m/s2) (6)若以 “ 保持木板水平 ” 来代替步骤 (1)，下列说法正确的是 _BC_(填入正确 选项前的标号 ) A a n 图线不再是直线 B a n 图线仍是直线，但该直线不过原点 C a
10、n 图线仍是直线，但该直线的斜率变大 解析 (3)因为小车做初速度为零的匀加速度直线运动，将题图乙中点 (2,0.78)代入 s 12at2可得 a 0.39 m/s2. (4)根据描点法可得如图所示图线 【 精品教育资源文库 】 (5)根据牛顿第二定定律可得 nmg (M 5m)a，则 a mgM 5mn，图线斜率 k mgM 5m 1.005 ，可得 M 0.44 kg. (6)若不平衡摩擦力，则有 nmg M (5 n)mg (M 5m)a，则 a mg mgM 5m nMg 5mgM 5m ，所以 a n 图线仍是直线，但直线不过原点，斜率变大，故选项 B、 C 正确 答案 (4)见
11、解析图 考点 3 实验改进与创新 高考命题对本实验可从下列几个方面创新 1实验器材的改进： (1)气垫导轨替代长木板； (2)光电门替代打点计时器 2实验方法的改进： (1)用力传感器或弹簧测力计测量对小车的拉力； (2)在验证 a 与 F 的关系时，保持小车 、钩码和桶的总质量不变 3数据处理方法的改进： 小车的加速度可以利用传感器，借助于计算机来处理 例 3(2017 北京朝阳模拟 )某探究学习小组的同学要探究加速度与力、质量的关系，他们在实验室组装了一套如图甲所示的装置，水平轨道上安装两个光电门，小车上固定有力传感器和挡光板，细线一端与力传感器连接，另一端跨过定滑轮挂上砝码盘实验首先保持
12、轨道水平，通过调整砝码盘里砝码的质量让小车做匀速运动以实现平衡摩擦力，再进行后面的操作，并在实验中获得以下测量数据：小车、力传感器和挡光板的总质量 M，平衡摩擦力时砝码 和砝码盘的总质量 m0，挡光板的宽度 d，光电门 1 和 2 的中心距离 s. 甲 【 精品教育资源文库 】 (1)该实验是否需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于车的质量？ _不需要 _.(选填“ 需要 ” 或 “ 不需要 ”) (2)实验需用游标卡尺测量挡光板的宽度 d，如图乙所示， d _5.50_mm. 乙 (3)某次实验过程：力传感器的读数为 F，小车通过光电门 1 和 2 的挡光时间分别为 t1、t2(小车通过光电门
13、 2 后，砝码盘才落地 )，已知重力加速度为 g，则该实验要验证的表达式是 _F M? ?dt22?dt122s m0g_. 解析 (1)因为细线一端与力传感器连接，细线的拉力可以直接测得，无需近似等于砝码盘及砝码重力，所以不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于车的质量 (2)主尺读数为5 mm，游标尺读数为 100.05 mm 0.50 mm，则 d 5.50 mm.(3)小车通过光电门 1 时的速度 v1 dt1，通过光电门 2 时的速度 v2 dt2，验证 F Mv22 v212s m0g M?dt22?dt122s m0g，即验证了牛顿第二定律 对应演练 迁移运用 1 (2018 湖北武
14、汉华师一附中模拟 )为了探究加速度与力、质量的关系甲、乙、丙三位同学分别设计了如图所示的实验装置，小车总质量用 M 表示 (乙图中 M 包括小车与传感器，丙图中 M 包括小车和与小车固连的滑轮 )，钩码总 质量用 m 表示 (1)为便于测量合外力的大小，并得到小车总质量一定时，小车的加速度与所受合外力成正比的结论下列说法正确的是 ( BC ) A三组实验中只有甲需要平衡摩擦力 B三组实验都需要平衡摩擦力 C三组实验中只有甲需要满足所挂钩码的总质量 m 远小于小车的总质量 M 的条件 D三组实验都需要满足所挂钩码的总质量 m 远小于小车的总质量 M 的条件 【 精品教育资源文库 】 (2)若乙、丙两位同学发现某次测量中力传感器和测力计读数相同，通过计算得到小车加速度均为 a， a 13g， g 为当地重力加速度则乙、丙两人实验时 所用小车总质量之比为 _12_，乙、丙两人实验用的钩码总质量之比为 _1 2_. 解析 (1)为便于测量合外力的大小，甲图通过钩码的总质量对应的重力即为合外力，而乙图是力传感器
