2022届新高考一轮复习人教版 第三章 实验四　探究加速度与物体受力、物体质量的关系 课件（74张）

这是一份2022届新高考一轮复习人教版 第三章 实验四　探究加速度与物体受力、物体质量的关系 课件（74张），共60页。PPT课件主要包含了实验原理与要求，答案4C等内容，欢迎下载使用。
一、实验目的1．学会用控制变量法研究物理规律。2．学会灵活运用图象法处理实验数据。3．探究加速度与力、质量的关系，并验证牛顿第二定律。
2．实验器材小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线、纸带、天平、毫米刻度尺。
3．实验步骤(1)测量：用天平测量小盘和砝码的总质量m′和小车的质量m。(2)安装：按照实验原理图把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)。(3)平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，使小车能匀速下滑。
[规律方法总结]1．注意事项(1)平衡摩擦力：适当垫高木板的右端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力。在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，但要小车拉着纸带。(2)实验时要保证小盘和砝码的总质量m′远小于小车的质量m。(3)不必重复平衡摩擦力。(4)一先一后：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后释放小车。
2．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m′g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以及描点作图时都会引起误差。
命题点一　教材原型实验　实验原理与操作[典例1]　在“验证牛顿运动定律”实验中，采用如图所示的装置进行实验。
(1)对小车进行“平衡摩擦力”操作时，下列必须进行的是________(填字母序号)。A．取下沙和沙桶B．在空沙桶的牵引下，轻推一下小车，小车能做匀速直线运动C．小车拖着穿过打点计时器的纸带做匀速运动时，打点计时器的电源应断开D．把长木板没有定滑轮的一端垫起适当高度
[解析]　(1)平衡摩擦力是使小车所受重力沿木板方向的分力与小车所受摩擦力平衡，故A、D项正确，B项错误；为确定小车是否为匀速运动，需要通过纸带上点迹是否均匀来判断，故C项错误。
(2)实验中，已经测出小车的质量为M，沙和沙桶的总质量为m，若要将沙和沙桶的总重力大小作为小车所受拉力F的大小，这样做的前提条件是________________________。
[答案]　　(2)沙和沙桶的总质量远小于小车的质量
[解析]　 (3)本实验是“验证牛顿运动定律”，所以不能把牛顿第二定律当成已知的公式来使用，故A错误；使用打点计时器时，应该先接通电源，后释放纸带，故B正确；平衡摩擦力后有μ＝tan θ，小车质量改变时，总满足mgsin θ＝μmgcs θ，与小车质量无关，所以不用再次平衡摩擦力，故C错误；本实验采用控制变量法，故D正确。[答案]　　(3)BD
　数据处理与分析[典例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为装有细沙的小桶，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等于细沙和小桶的总重力，小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得。
(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50 Hz。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。(结果均保留两位有效数字)(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(如图丙所示)。请继续帮助该同学作出坐标系中的图象。
[解析]　(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。
[答案]　(1)1.6　3.2 (2)图见解析
(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的图线如图丁，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]　(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足。 [答案]　(3)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足
(4)实验时改变所挂小桶内细沙的质量，分别测量小车在不同外力作用下的加速度。根据测得的多组数据画出a--F关系图线，如图戊所示。此图线的AB段明显偏离直线，造成此现象的主要原因可能是________(选填下列选项的序号)。  A．小车与平面轨道之间存在摩擦B．平面轨道倾斜角度过大C．所挂小桶及桶内细沙的总质量过大D．所用小车的质量过大
命题点二　实验创新设计 　实验器材创新[典例3]　(2021·江苏新沂高三质检)图甲是利用气垫导轨探究在外力一定的条件下，物体加速度与质量的关系的实验装置。实验步骤如下：
①气垫导轨放在水平桌面上，并调至水平；②用游标卡尺测出挡光条的宽度为l；③由导轨上标尺读出两光电门中心之间的距离为s；④将滑块移至光电门1左侧某处，待砝码静止不动后释放滑块，要求砝码落地前挡光条已通过光电门2；⑤从数字计时器(图中未画出)上分别读出挡光条通过光电门1和光电门2所用的时间分别为Δt1和Δt2；⑥用天平称出滑块和挡光条的总质量为M；⑦改变滑块的质量，重复步骤④⑤⑥进行多次实验。
据上述实验回答下列问题：(1)关于实验操作，下列说法正确的是________。A．应先接通光电门后释放滑块B．调节气垫导轨水平时，应挂上砝码C．应调节定滑轮使细线和气垫导轨平行D．每次都应将滑块从同一位置由静止释放(2)用测量物理量的字母表示滑块加速度a＝________。
[答案]　(3)2.5(2.3～2.7均可)　(4)没有选取滑块和砝码一起作为研究对象(或M没有加上砝码和砝码盘的质量)
创新评价本实验用光电门和气垫导轨代替打点计时器与滑板组合，无须平衡摩擦力，操作便捷；根据遮光条的宽度可测滑块的速度，应用运动学公式求加速度，避免了纸带位移测量的误差。　
　实验设计创新[典例4]　某物理课外小组利用图(a)中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。图中，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相对于其起始位置的位移s，绘制st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时的st图象如图(b)所示；由图(b)求出此时小车的加速度(保留两位有效数字)，将结果填入下表。
(4)利用表中的数据在图(c)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。
(5)利用a-n图象求得小车(空载)的质量为________kg(保留两位有效数字，重力加速度取g＝9.8 m·s－2)。(6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1)，下列说法正确的是________(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-n图线仍是直线，但该直线的斜率变大
创新评价本题创新之处体现在两点，一是实验过程保证了系统总质量不变化；二是用传感器记录小车的时间t与位移s，直接绘制s-t图象处理实验数据。
　实验目的创新[典例5]　(2020·全国百强名校高三下学期领军考试)某同学用如图甲所示的实验装置测量木块与木板间的动摩擦因数。
(1)从打出的若干纸带中选出了如图乙所示的一条，纸带上A、B、C、D、E这些点的间距如图中标示，其中每相邻两点间还有4个计时点未画出。打点计时器的电源频率是50 Hz，根据测量结果计算：打C点时纸带的速度大小为________________m/s；纸带运动的加速度大小为________________m/s2。(结果保留三位有效数字)(2)通过(1)测得木块的加速度为a，还测得钩码和木块的质量分别为m和M，已知当地重力加速度为g，则动摩擦因数μ＝________________。
创新评价本题中的创新点在于由验证加速度与物体的质量、合外力的关系拓展为利用牛顿第二定律测量物块与木板间的动摩擦因数。
　实验情景创新[典例6]　某实验小组应用如图甲所示装置“探究加速度与物体受力的关系”，已知小车的质量为M，砝码及砝码盘的总质量为m，所用的打点计时器所接的交流电的频率为50 Hz。实验步骤如下：
A．按图所示安装好实验装置，其中与定滑轮及弹簧测力计相连的细线竖直；B．调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下匀速运动；C．挂上砝码盘，接通电源后，再放开小车，打出一条纸带，由纸带求出小车的加速度；D．改变砝码盘中砝码的质量，重复步骤C，求得小车在不同合力作用下的加速度。
根据以上实验过程，回答以下问题：(1)对于上述实验，下列说法正确的是________。A．小车的加速度与砝码盘的加速度大小相等B．实验过程中砝码盘处于超重状态C．与小车相连的细线与长木板一定要平行D．弹簧测力计的读数应为砝码和砝码盘总重力的一半E．砝码和砝码盘的总质量应远小于小车的质量
[解析]　(1)由图可知，小车的加速度是砝码盘的加速度大小的2倍，故A错误；实验过程中，砝码向下加速运动，处于失重状态，故B错误；与小车相连的细线与长木板一定要平行，保证拉力沿着木板方向，故C正确；实验过程中，砝码向下加速运动，处于失重状态，故弹簧测力计的读数小于砝码和砝码盘总重力的一半，故D错误；由于不需要把砝码的重力作为小车的拉力，故不需要使砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量，故E错误。
(2)实验中打出的一条纸带如图乙所示，由该纸带可求得小车的加速度为________m/s2。(结果保留两位有效数字)
[答案]　(2)0.16
(3)由本实验得到的数据作出小车的加速度a与弹簧测力计的示数F的关系图象，与本实验相符合的是________。[解析] (3)由题意可知，小车的加速度a与弹簧测力计的示数F的关系应该是成正比，即为过原点的一条倾斜直线，故A与本实验符合。
创新评价本实验在原理不变的基础上，改换拉力测量的情景，结合定滑轮的特点，由弹簧测力计可获取拉力，不需要满足砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量的条件。　
1．如图所示，某实验小组借用“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置，进行“探究做功与物体速度变化的关系”的实验，实验时使小车在砝码和托盘的牵引下运动，以此定量探究细绳拉力做功与小车速度变化的关系。
(1)实验准备了打点计时器及配套的电源、导线、纸带、复写纸及如图所示的器材。若要完成该实验，必需的实验器材还有其中的________。(2)为达到平衡摩擦力的目的，取下细绳和托盘，通过调节垫片的位置，改变长木板倾斜程度，根据打出的纸带判断小车是否做________运动。
解析：(1)本实验的实验原理是合外力所做的功等于动能的变化量，通过研究纸带来研究小车的速度，利用天平测量小车的质量，利用砝码的重力代替小车的合外力，所以需要刻度尺来测量纸带上点的距离和用天平测得小车的质量，即还需要刻度尺，天平(带砝码)，故选A、C。(2)为达到平衡摩擦力的目的，取下细绳和托盘，通过调节垫片的位置，改变长木板倾斜程度，根据打出的纸带判断小车是否做匀速直线运动。答案：(1)AC　(2)匀速直线
(3)实验开始时，先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木板平行。这样做的目的是________(填字母代号)。A．避免小车的运动过程中发生抖动B．可使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰C．可以保证小车最终能够实现匀速直线运动D．可在平衡摩擦力后使细绳的拉力等于小车受的合力
解析：(3)实验过程中，为减少误差，提高实验的精确度，应先调节木板上定滑轮的高度，使牵引小车的细绳与木板平行，目的是平衡摩擦力后，使细绳的拉力等于小车的合力，故A、B、C错误，D正确。答案：(3)D
2．(2020·高考全国卷Ⅱ)一细绳跨过悬挂的定滑轮，两端分别系有小球A和B，如图所示。一实验小组用此装置测量小球B运动的加速度。令两小球静止，细绳拉紧，然后释放小球，测得小球B释放时的高度h0＝0.590 m，下降一段距离后的高度h＝0.100 m；由h0下降至h所用的时间T＝0.730 s。由此求得小球B加速度的大小为a＝________m/s2(保留三位有效数字)。
从实验室提供的数据得知，小球A、B的质量分别为100.0 g 和150.0 g，当地重力加速度大小为g＝9.80 m/s2。根据牛顿第二定律计算可得小球B加速度的大小为a′＝________m/s2(保留三位有效数字)。可以看出，a′与a有明显差异，除实验中的偶然误差外，写出一条可能产生这一结果的原因：____________。
可见实验结果比理论结果小一些，可能是滑轮的轴不光滑或滑轮有质量。答案：1.84　1.96　滑轮的轴不光滑(或滑轮有质量)
3．(2020·广东省七校联合体高三第二次联考)某同学在实验室利用图甲所示的装置探究“在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量的关系”。图中长木板水平固定，小吊盘和盘中物块的质量之和m远小于滑块(含滑块上的砝码)的质量M。
答案：(1)电火花计时器　(2)0.02　0.2
4．学习了传感器之后，在“研究小车加速度与所受合外力的关系”实验时，甲、乙两实验小组引进“位移传感器”“力传感器”，分别用如图(a)(b)所示的实验装置实验，重物通过细线跨过滑轮拉相同质量的小车，位移传感器B随小车一起沿水平轨道运动，位移传感器A固定在轨道一端。甲组实验中把重物的重力作为拉力F，乙组直接用力传感器测得拉力F，改变重物的重力重复实验多次，记录多组数据，并画出a-F图象。
(1)甲组实验把重物的重力作为拉力F的条件为______________。(重物质量为m，小车与传感器总质量为M)(2)图(c)中符合甲组同学作出的实验图象是________________；符合乙组同学作出的实验图象是________________。(均选填“①”“②”或“③”)