物理重点知识串讲 8.docx

物理重点知识串讲 8.docx

《物理重点知识串讲 8.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理重点知识串讲 8.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

物理重点知识串讲8

实验三　加速度与物体质量、物体受力的关系

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：

Mm。

小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。

5.一先一后一按住：

先接通电源，后放小车，且在小车到达滑轮前按住小车。

6.作图：

作图时两轴标度比例要适当，各量须采用国际单位。

误差分析

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，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。

2.摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。

热点一　实验原理与实验操作

【例1】　（2018·江苏盐城高三期中）如图1所示，在“探究质量一定，加速度与物体受力关系”的实验中，现有两种方案：

甲方案，选择小车为研究对象，用砝码和盘的重力作为拉力；乙方案，选择小车、砝码和盘整体作为研究对象，用砝码和盘的重力作为研究对象所受的拉力。

图1

（1）用乙方案实验，________平衡摩擦力（填“需要”或“不需要”）；

（2）用乙方案实验，________保持细线与板面平行（填“需要”或“不需要”）；

（3）用甲方案实验，当增加盘中砝码而改变受力时，需要满足的条件___________________________________________________________________；

（4）用甲方案实验得到如图2所示的a－F关系图象：

图2

①图线在水平轴上有明显的截距（OA不为零），可能的原因是____。

A.先释放小车后接通电源打点

B.平衡摩擦力时，木板的倾角偏大

C.平衡摩擦力时，小车后面未固定穿过打点计时器的纸带

②图线AB段基本是一条直线，而BC段明显偏离直线，主要原因是________。

A.小车的总质量过大

B.开始砝码质量较小，后来较大

C.计算拉力时，忽略了砝码盘的重力

答案　

（1）需要　

（2）需要　（3）砝码及砝码盘的质量远小于小车的质量　（4）①C　②B

热点二　数据处理与分析

【例2】　某组同学设计了“探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系”实验。

图3甲为实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为装有细砂的小桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车的拉力F等于细砂和小桶的总重力，小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得。

图3

（1）图乙为某次实验得到的纸带，已知实验所用电源的频率为50Hz。

根据纸带可求出电火花计时器打B点时的速度为________m/s，小车的加速度大小为________m/s2。

（结果均保留2位有效数字）

（2）在“探究加速度a与质量m的关系”时，某同学按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注，但尚未完成图象（如图4所示）。

请继续帮助该同学作出坐标系中的图象。

　　　　图4　　　　　　　　图5

（3）在“探究加速度a与合力F的关系”时，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图5，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因。

答：

___________________________________________________________。

解析　

（1）AC这段位移的平均速度等于AC这段时间中间时刻的瞬时速度，即B点的瞬时速度，故vB＝

＝

m/s＝1.6m/s。

由逐差法求解小车的加速度，

a＝

＝

m/s2＝

3.2m/s2。

（2）将坐标系中各点连成一条直线，连线时应使直线过尽可能多的点，不在直线上的点应大致对称地分布在直线的两侧，离直线较远的点应视为错误数据，不予考虑，连线如图所示：

（3）图线与横轴有截距，说明实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够。

答案　

（1）1.6　3.2　

（2）见解析　（3）实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够

热点三　实验的改进与创新

以本实验为背景，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥于教材，体现开放性、探究性等特点。

1.实验器材的改进

气垫导轨（不用平衡摩擦力）

长木板

图6

2.数据测量的改进

（1）合外力的测量

由力传感器直接测量

（2）加速度的获得

①测定通过的时间，由a＝

求出加速度

②小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到

3.实验的拓展延伸

以“验证牛顿运动定律”为背景测量物块与木板间的动摩擦因数。

【例3】　（2019·苏锡常镇四市一调）如图7甲所示是小明同学探究加速度与力的关系的实验装置。

他在气垫导轨上安装了一个光电门B，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从A处由静止释放。

图7

（1）小明用游标卡尺测量遮光条的宽度d，示数如图乙所示，则d＝________mm。

（2）实验时，将滑块从A位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t，若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量c是________（用文字表述）。

（3）小亮同学认为：

无需测出上述c和d，只要画出以F（力传感器示数）为横坐标、以________为纵坐标的图象就能直接反映加速度与力的关系。

（4）下列实验操作和要求必要的是________（请填写选项前对应的字母）。

A.应将气垫导轨调节水平

B.应测出钩码和力传感器的总质量

C.应使A位置与光电门间的距离适当大些

D.应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量

解析　

（1）由图知第6条刻度线与主尺对齐，d＝2mm＋6×0.05mm＝2.30mm。

（2）实验时，将滑块从A位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t，滑块经过光电门时的瞬时速度可近似认为是滑块经过光电门的平均速度。

根据运动学公式得若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是遮光条到光电门的距离L。

（3）根据F＝ma，而v

＝2aL，vB＝

，联立解得F＝

，则无需测出上述c和d，只要画出以F（力传感器示数）为横坐标、以

为纵坐标的图象就能直接反映加速度与力的关系。

（4）应将气垫导轨调节水平，使拉力等于滑块受到的合力，故A项正确；拉力的大小可从力传感器中读出，则没必要测出钩码和力传感器的总质量，B项错误；应使A位置与光电门间的距离适当大些，可以增大测量长度，从而有利于减小误差，故C项正确；拉力是直接通过传感器测量的，故与小车质量和钩码质量大小关系无关，故D项错误。

答案　

（1）2.30mm　

（2）遮光条到光电门的距离　（3）

　（4）AC

（2018·南通调研）某小组利用如图8所示的装置验证牛顿第二定律。

实验中，他们平衡了摩擦力，用天平测出小车的总质量，用细线所挂钩码的总重力代替小车所受的牵引力大小F。

图8

（1）他们还在实验时调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细线与木板平行。

这样做的目的是________。

A.避免小车在运动过程中发生抖动

B.使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰

C.保证小车最终能够做匀速直线运动

D.使细线拉力等于小车受到的合力

（2）实验得到一条点迹清晰的纸带如图9所示，O、A、B、C、D是在纸带上选取的计数点，相邻计数点间还有4个点未画出，AB、CD间的距离分别为x1、x2，打点计时器的打点周期为T，则小车运动的加速度大小为________。

图9

（3）下表记录了小车质量一定时，牵引力大小F与对应的加速度a的几组数据，请在图10的坐标中描点作出a－F图线。

钩码个数

1

2

3

4

5

F/N

0.49

0.98

1.47

1.96

2.45

a/（m·s－2）

0.92

1.68

2.32

2.88

3.32

图10

（4）实验中画出的a－F图线与理论计算的图线（图中已画出）有明显偏差，其原因主要是_______________________________________________________________

____________________________________________________________________。

解析　

（1）使牵引小车的细线与木板平行，这样做的目的是可在平衡摩擦力后使细线拉力等于小车受到的合力，故D项正确。

（2）因为每相邻两计数点间还有4个点未画出，所以相邻的计数点之间的时间间隔为t＝5T，匀变速直线运动中连续相等时间内的位移差为常数，即Δx＝at2，则有a＝

＝

。

（3）根据描点法作出图象，如图所示。

（4）探究加速度与力的关系实验中，当钩码质量远小于小车质量时，可以认为小车受到的拉力等于钩码重力，如果钩码质量太大，没有远小于小车质量，小车受到的拉力明显小于钩码重力，实验误差较大，a－F图象发生弯曲，变成曲线。

答案　

（1）D　

（2）

　（3）见解析图　（4）不满足小车质量远大于所挂钩码

质量

活页作业

（时间：

30分钟）

1.（2018·苏州调研）在“探究加速度与小车质量关系”实验中，实验小组采用如图1所示的装置。

M表示小车及砝码的总质量，m表示砂桶及砂的总质量。

图1

（1）为使实验中小车所受合外力等于细线的拉力，应采取的措施是____________________________；为使细线对小车拉力大小近似等于砂桶和砂的重力mg，应控制的实验条件是________。

次数

小车及砝码的总质量M/g

加速度a/（m·s－2）

/kg－1

1

200

1.91

5.00

2

250

1.71

4.00

3

300

1.50

3.33

4

350

1.36

2.86

5

400

1.12

2.50

6

450

1.00

2.22

7

500

0.90

2.00

（2）在控制砂桶和砂的质量一定的情况下，该实验小组测得的实验数据如上表所示，为了直观反映加速度与小车及砝码总质量的关系，请在方格坐标纸中选取恰当的物理量建立坐标系，并作出相应的图线，根据图线判断，实验产生误差的最主要原因是：

______________________________________________。

解析　

（1）小车运动时受到重力、细线的拉力、支持力和摩擦力，要使拉力等于合力，则应该用重力的下滑分量来平衡摩擦力，故可以将长木板的一端垫高，所以应采取的措施是平衡摩擦力，同时细线与木板平行；砂桶和砂加速下落，处于失重状态，其对细线的拉力小于重力，要使其对细线的拉力近似等于重力，应该使加速度减小，所以砂桶和砂的质量应该远小于小车的质量，即mM。

（2）根据描点作图法可得：

砂和小桶的总质量没有远小于小车的质量，小车受到的拉力明显小于砂桶和砂的重力，a－F图象发生弯曲，不再是直线。

答案　

（1）平衡摩擦力，细线与木板平行　Mm　

（2）图见解析　小车质量变小时，不能满足小车质量远大于砂和砂桶的总质量

2.（2018·盐城期中考试）为了探究加速度与力、质量的关系：

（1）小亮利用如图2所示的实验方案，探究小车质量一定时加速度与合外力之间的关系，图中为上下两层水平轨道，细线跨过滑轮并挂上砝码盘，将砝码和砝码盘的总重力作为小车所受合外力，两小车尾部细线连到控制装置上，实验时通过控制装置使两小车同时开始运动，并同时停止。

图2

①实验前，下列操作必要的是________。

A.选用质量不同的两辆小车

B.调节定滑轮的高度，使细线与轨道平行

C.使砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量

D.将轨道右端适当垫高，使小车在没有细线牵引时能在轨道上匀速运动，以平衡摩擦力

②他测量了两小车的位移为x1、x2，则

＝________。

（2）小明用如图3所示的装置进行实验：

图3

①打出的一条纸带如图4所示，计时器打点的时间间隔为0.02s。

他从比较清晰的A点起，每五个点取一个计数点，测量出各点到A点的距离并标在纸带上各点的下方，则小车运动的加速度为________m/s2。

图4

②实验前由于疏忽，小明遗漏了平衡摩擦力这一步骤，他测量得到的a－F图象，可能是图5中的图线________（选填“1”“2”或“3”）。

③调整正确后，他作出的a－F图象末端明显偏离直线，如果已知小车质量为M，某次所挂钩码质量为m，则图6中坐标a1应为________，a2应为________。

解析　

（1）①本实验探究小车质量一定时加速度与合外力之间的关系，所以两辆小车质量应该相同，但是必须远大于砝码和砝码盘的总质量，A项错误，C项正确；使细线与轨道平行是为了减小摩擦，B项正确；为了保证砝码和砝码盘的总重力作为小车的合外力，就必须平衡摩擦力，D项正确。

②根据x＝

at2可得

＝

。

（2）①根据Δx＝aT2＝xBC－xAB＝xCD－xBC＝xDE－xCD＝0.4×10－2m，a＝

＝

m/s2＝0.4m/s2。

②如果遗漏平衡摩擦力这一步骤，当力比较小的时候，小车不能运动，没有加速度，所以图线3符合要求。

③根据牛顿第二定律，当满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量时，即a1＝

，为一过原点的直线；如果不能满足，则mg－F＝ma2，F＝Ma2，联立可得a2＝

。

答案　

（1）①BCD　②

（2）①0.4　②3　③

3.（2019·苏北四市第一次调研测试）如图7甲所示是研究小车加速度与力关系的实验装置，木板置于水平桌面上，一端系有砂桶的细绳通过滑轮与拉力传感器相连，拉力传感器可显示所受的拉力大小F，改变桶中砂的质量多次实验。

完成下列

问题：

图7

（1）实验中需要________。

A.测量砂和砂桶的总质量

B.保持细线与长木板平行

C.保持小车的质量不变

D.满足砂和砂桶的总质量远小于小车的质量

（2）实验中得到一条纸带，相邻计数点间有四个点未标出，各计数点到A点的距离如图乙所示。

电源的频率为50Hz，则打B点时小车速度大小为________m/s，小车的加速度大小为________m/s2。

（3）实验中描绘出a－F图象如图丙所示，图象不过坐标原点的原因是____________________________________________________________________。

解析　

（1）绳子的拉力可以通过拉力传感器测出，不需要用天平测出砂和砂桶的质量，A项错误；要调整长木板上滑轮的高度使细线与长木板平行，B项正确；本实验采用的是控制变量法，要研究小车加速度与力关系，必须保持小车的质量不变，C项正确；实验中拉力通过拉力传感器测出，不需要满足砂和砂桶的质量远小于小车的质量，D项错误。

（2）已知打点计时器电源频率为50Hz，则纸带上相邻计数点间的时间间隔为T＝5×0.02s＝0.1s。

B点对应的速度为vB＝

＝

×10－2m/s＝0.416m/s，根据Δx＝aT2可得xCE－xAC＝a（2T）2，小车运动的加速度为a＝

＝

×10－2m/s2＝1.48m/s2。

（3）由图象可知，a－F图象在a轴上有截距，这是由于平衡摩擦力过度造成的。

即在实际操作中，平衡摩擦力时斜面倾角过大，即平衡摩擦力过度。

答案　

（1）BC　

（2）0.416或0.42　1.48　（3）平衡摩擦力过度

4.甲、乙两同学均设计了测动摩擦因数的实验。

已知重力加速度为g。

图8

（1）甲同学所设计的实验装置如图8甲所示。

其中A为一质量为M的长直木板，B为木板上放置的质量为m的物块，C为物块右端连接的一轻质弹簧测力计。

实验时用力将A从B的下方抽出，通过C的读数F1即可测出动摩擦因数。

则该设计能测出________（填“A与B”或“A与地面”）之间的动摩擦因数，其表达式为________。

（2）乙同学的设计如图乙所示。

他在一端带有定滑轮的长木板上固定有A、B两个光电门，与光电门相连的计时器可以显示带有遮光片的物块在其间的运动时间，与跨过定滑轮的轻质细绳相连的轻质测力计能显示挂钩处所受的拉力。

实验时，多次改变砂桶中砂的质量，每次都让物块从靠近光电门A处由静止开始运动，读出多组测力计示数F及对应的物块在两光电门之间的运动时间t。

在坐标系中作出F－

的图线如图丙所示，图线的斜率为k，与纵轴的截距为b，与横轴的截距为c。

因乙同学不能测出小车质量，故该同学还应该测出的物理量为____________________________________________________________________。

根据该测量物理量及图线信息可知物块和长木板之间的动摩擦因数表达式为____________。

解析　

（1）当A达到稳定状态时B处于静止状态，弹簧测力计的读数F与B所受的滑动摩擦力Ff大小相等，B对木板A的压力大小等于B的重力mg，由Ff＝μFN得，μ＝

＝

，为A与B之间的动摩擦因数。

（2）物块由静止开始做匀加速运动，位移

x＝

at2

可得a＝

根据牛顿第二定律得

对于物块，F合＝F－μmg＝ma

则F＝

＋μmg

则图线的斜率为k＝2mx

纵轴的截距为b＝μmg

k与摩擦力是否存在无关，物块与长木板间的动摩擦因数为μ＝

＝

。

答案　

（1）A与B　

（2）光电门A、B之间的距离xμ＝

5.（2019·江苏扬州中学高三期初考）

（1）如图9所示为某同学安装的“验证牛顿第二定律”的实验装置。

图9

①在“验证牛顿第二定律”的实验中，为了使小车受到合外力等于砝码和砝码盘的总重量，通常采用如下两个措施：

A.平衡摩擦力：

将长木板无滑轮的一端下面垫一小木块，反复移动木块的位置，直到小车在砝码盘的拉动下带动纸带与小车一起做匀速直线运动；

B.在调整砝码多少的过程中，要保证砝码和砝码盘的总质量m远小于小车和砝码的总质量M。

以上哪一个措施中有何重大错误？

（说明错误点）

_____________________________________________________________________。

②如图10是上述实验打出的一条纸带，已知打点计时器的打点周期是0.02s，结合图中给出的数据（单位cm），求出小车运动加速度的大小为________m/s2，并求出纸带中P点瞬时速度的大小为________m/s。

（计算结果均保留2位有效数字）

图10

（2）某实验小组设计了如图11（a）所示的实验装置，通过改变重物的质量，利用计算机可得滑块运动的加速度a和所受拉力F的关系图象。

他们在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验，得到了两条a－F图线，如图（b）所示。

图11

①图线________是在轨道左侧抬得过高的情况下得到的（选填“甲”或“乙”）；

②滑块和位移传感器发射部分的总质量m＝________kg；滑块和轨道间的动摩擦因数μ＝________。

解析　

（1）①选项A有错误，平衡摩擦力时不能悬挂砝码盘。

②设O到A之间的距离为x1，以后各段分别为x2、x3、x4、x5、x6，根据匀变速直线运动的推论公式Δx＝aT2可以求出加速度的大小，得x4－x1＝3a1T2；x5－x2＝3a2T2；x6－x3＝3a3T2；为了更加准确的求解加速度，我们对三个加速度取平均值得a＝

（a1＋a2＋a3），即小车运动的加速度计算表达式为

a＝

m/s2

＝4.0m/s2，

纸带中P点瞬时速度大小为

vP＝

＝

m/s＝2.6m/s

（2）①由图象可知，当F＝0时，a≠0。

也就是说当绳子上没有拉力时小车就有加速度，该同学实验操作中平衡摩擦力过度，即倾角过大。

所以图线甲是在轨道左侧抬得过高的情况下得到的。

②根据F＝ma得a＝

，所以滑块运动的加速度a和所受拉力F的关系图象斜率等于滑块和位移传感器发射部分的总质量的倒数。

由图线b得加速度a和所受拉力F的关系图象斜率k＝2，所以滑块和位移传感器发射部分的总质量m＝0.5kg；由图线b得在水平轨道上F＝1N时，加速度a＝0，根据牛顿第二定律得F－μmg＝0，解得μ＝0.2。

答案　

（1）①A有错误，平衡摩擦力时不能悬挂砝码盘　②4.0　2.6　

（2）①甲　②0.5　0.2

6.（2018·江苏单科，11）某同学利用如图12所示的实验装置来测量重力加速度g。

细绳跨过固定在铁架台上的轻质滑轮，两端各悬挂一只质量为M的重锤。

实验操作如下：

图12

①用米尺量出重锤1底端距地面的高度H；

②在重锤1上加上质量为m的小钩码；

③左手将重锤2压在地面上，保持系统静止。

释放重锤2，同时右手开启秒表，在重锤1落地时停止计时，记录下落时间；

④重复测量3次下落时间，取其平均值作为测量值t。

请回答下列问题：

（1）步骤④可以减小对下落时间t测量的________（选填“偶然”或“系统”）误差。

（2）实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多，主要是为了________。

A.使H测得更准确

B.使重锤1下落的时间长一些

C.使系统的总质量近似等于2M

D.使细绳的拉力与小钩码的重力近似相等

（3）滑轮的摩擦阻力会引起实验误差。

现提供一些橡皮泥用于减小该误差，可以怎么做？

（4）使用橡皮泥改进实验后，重新进行实验测量，并测出所用橡皮泥的质量为m0。

用实验中的测量量和已知量表示g，得g＝________________。

解析　

（1）步骤④多次测量取平均值是为了减小偶然误差。

（2）实验要求小钩码的质量m要比重锤的质量M小很多，这样可以使重锤1下落的加速度小一些，根据H＝

at2可知，可以使重锤1下落的时间长一些，便于测量时间，选项B正确。

（3）在重锤1上粘些橡皮泥，调整橡皮泥质量，直至轻拉重锤1能够观察到重锤1匀速下落。

（4）对两个重锤、小钩码和橡皮泥组成的系统，由牛顿第二定律，mg＝（2M＋m＋m0）a，重锤1下落，根据匀变速直线运动规律，H＝

at2，联立解得g＝

。

答案　

（1）偶然　

（2）B　（3）在重锤1上粘上橡皮泥，调整橡皮泥质量直至轻拉重锤1能观察到其匀速下落

（4）