专题05 探究加速度与物体受力、物体质量的关系——【备考2023】高考物理实验题专项精讲精练学案（原卷版+解析版）

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1.实验设计原理
本实验的实验装置图如图所示
(1)实验方法：控制变量法。
(2)实验条件：M>m。小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。
(3)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，让小车能够拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动。
多次实验无需重复平衡摩擦力（用小车所受重力的分力平衡摩擦力，mgsinθ=μmgcsθ，与小车质量无关)。
2.实验步骤(阻力补偿法)
(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：按照实验装置图把实验器材安装好，暂时不要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薄木块，使小车在不挂砝码和小盘的情况下能匀速下滑。
(4)实验操作
①将小盘通过细绳绕过定滑轮系在小车上，小车停在打点计时器处，先接通电源后释放小车，打出一条纸带，取下纸带，并计算出小盘和砝码的总重力，即小车所受的合外力。
②保持小车的质量M不变，改变砝码和小盘的总质量m，重复步骤①。③在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a。
④描点作图，作a-F图像。
⑤保持砝码和小盘的总质量m不变，改变小车质量M，重复步骤①和③，作图像。
3.实验数据处理
(1)利用及逐差法求a。
(2)以a为纵坐标，F为横坐标，根据各组数据的点，作出a-F图像，图像是一条过原点的直线，说明a与F成正比。
(3)以a为纵坐标，为横坐标，描点、连线，如果该线为过原点的直线，就能判定a与M成反比。
典例1：（2021·湖南·高考真题）某实验小组利用图（a）所示装置探究加速度与物体所受合外力的关系。主要实验步骤如下：
（1）用游标卡尺测量垫块厚度，示数如图（b）所示，___________；
（2）接通气泵，将滑块轻放在气垫导轨上，调节导轨至水平；
（3）在右支点下放一垫块，改变气垫导轨的倾斜角度；
（4）在气垫导轨合适位置释放滑块，记录垫块个数和滑块对应的加速度；
（5）在右支点下增加垫块个数（垫块完全相同），重复步骤（4），记录数据如下表：
根据表中数据在图（c）上描点，绘制图线___________。
如果表中缺少的第4组数据是正确的，其应该是___________（保留三位有效数字）。
典例2：（2022·山东·高考真题）在天宫课堂中、我国航天员演示了利用牛顿第二定律测量物体质量的实验。受此启发。某同学利用气垫导轨、力传感器、无线加速度传感器、轻弹簧和待测物体等器材设计了测量物体质量的实验，如图甲所示。主要步骤如下：
①将力传感器固定在气垫导轨左端支架上，加速度传感器固定在滑块上；
②接通气源。放上滑块。调平气垫导轨；
③将弹簧左端连接力传感器，右端连接滑块。弹簧处于原长时滑块左端位于O点。A点到O点的距离为5.00cm，拉动滑块使其左端处于A点，由静止释放并开始计时；
④计算机采集获取数据，得到滑块所受弹力F、加速度a随时间t变化的图像，部分图像如图乙所示。
回答以下问题（结果均保留两位有效数字）：
（1）弹簧的劲度系数为_____N/m。
（2）该同学从图乙中提取某些时刻F与a的数据，画出a—F图像如图丙中I所示，由此可得滑块与加速度传感器的总质量为________kg。
（3）该同学在滑块上增加待测物体，重复上述实验步骤，在图丙中画出新的a—F图像Ⅱ，则待测物体的质量为________kg。
1．（2022·浙江·模拟预测）（1）在下列学生实验中，需要平衡摩擦力的实验有______（填字母）
A．“探究小车速度随时间变化的规律”B．“探究加速度与力、质量的关系”
C．“研究平抛运动”D．“验证机械能守恒定律”
（2）利用下图探究“加速度与力、质量的关系”实验装置图，请回答下列问题：
①为了探究“加速度与力、质量之间的关系”，需要用到的方法是_________（选填“控制变量法”或“理想实验法”）。
②实验过程中，为了平衡小车运动中受到的阻力。在不挂砝码盘的情况下，应该采用下面所述的方法_______（选填“A”、“B”或“C”）。
A．逐步调节木板的倾斜程度，使静止的小车开始运动
B．逐步调节木板的倾斜程度，使小车在木板上保持静止
C．逐步调节木板的倾斜程度，使小车后面的纸带上所打的点间隔均匀
（3）某次实验中获得的小车上纸带的点的分布如下，已知相邻两个计数点中还有四个点未画出，则该小车运动过程中的加速度为________
2．（2022·广东·顺德一中模拟预测）用如图甲所示的实验装置来验证牛顿第二定律，为消除摩擦力的影响，实验前必须平衡摩擦力。
（1）李同学平衡摩擦力时是这样操作的：将小车静止地放在水平木板上，把木板不带滑轮的一端慢慢垫高，如图乙，直到小车由静止开始沿木板向下滑动为止。这位同学的操作是不正确的，正确的操作应当是：____________
（2）如果这位同学按（1）中的操作做实验，他不断改变对小车的拉力F，得到在小车质量M保持不变情况下的a-F图线是下图中的______（将选项代号的字母填在横线上）。
A． B． C． D．
（3）下图是该同学在正确操作下获得的一条纸带，0、1、2、3、4、5、6计数点，每相邻计数点之间还有4个点没有标出，已知打点计时器使用的交流电频率为f。用s1、s2、s3、s4、s5、s6以及f来表示小车加速度为a＝______。
（4）为减小误差，实验中要进行小车的质量M跟砂和砂桶的总质量m的选取，以下最合理的一组是( )
A．M＝200g，m＝10g、15g、20g、25g、30g、40g
B．M＝200g，m＝20g、40g、60g、80g、100g、120g
C．M＝400g，m＝10g、15g、20g、25g、30g、40g
D．M＝400g，m＝20g、40g、60g、80g、100g、120g
（5）张同学改进了实验装置，在小车的前方安装一个拉力传感器，其它操作正确无误。由于安装了拉力传感器，下列操作要求中不需要的是______（填选项前的字母）。
A．测出砝码和砝码盘的总质量
B．将木板垫起适当角度以平衡摩擦力
C．跨过滑轮连接小车的细线与长木板平行
D．砝码和砝码盘的总质量远小于小车和传感器的总质量
3．（2022·山东·模拟预测）如图（1）为“用DIS研究加速度和力的关系”的实验装置。
（1）实验时有以下一些步骤，先后顺序是________（填写字母标号）
A．点击“选择区域”，计算机自动计算出加速度值；
B．保持小车、配重片和发射器总质量不变，不断增加钩码的质量，重复实验；
C．点击“开始记录”并释放小车，当小车到达终点时，点击“停止记录”，得到v-t图像。
（2）若测得小车、配重片和发射器的总质量为360g，若把钩码的重力做为小车受的合外力，则跨过滑轮的细绳下悬挂的钩码质量范围最适合用________；
A．1g~25g B．100g~200g C．180g~360g D．大于360g
（3）当小车总质量一定，改变钩码质量重复实验，释放小车的位置________（填写“必须相同”或“可以不同”）。
（4）实验中某小组获得如图（2）所示的图线，在进行“选择区域”操作记录小车加速度时，在选择AB段、BC段和AC段中，你认为选择哪段获得的加速度较精确？答：________。
4．（2022·重庆南开中学模拟预测）某同学用图甲所示装置探究物体的加速度与力、质量的关系，实验前取下托盘，但让小车连着纸带，平衡好小车所受阻力。
（1）为了使托盘（包含盘内砝码）的重力近似等于小车所受合力，下列做法合理的是_________；
A．小车质量远小于托盘（包含盘内砝码）质量 B．托盘（包含盘内砝码）质量远小于小车质量
C．调节滑轮高度，使滑轮和小车间的细绳与木板平行 D．调节滑轮高度，使滑轮和小车间的细绳保持水平
（2）某次实验打出的一条纸带如图乙所示，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出连续的4个计数点A、B、C、D，相邻两个计数点之间还有2个点迹未标出，测得A、B以及C、D点间的距离如图所示。已知所用电源的频率为，则小车的加速度大小_________；（结果保留3位有效数字）
（3）为消除细绳拉力与托盘（包含盘内砝码）的重力不相等所带来的误差，该同学认为可以把托盘、砝码和小车看成一个整体，该同学按照此思路，设计了新的实验方案，步骤如下：
①初始在托盘内装若干个砝码，释放小车后测出加速度；
②从托盘中取出一个砝码并放置于小车上，释放小车后再次测出小车加速度；
③重复步骤②，多次测量小车加速度；
④根据测量数据画出小车加速度a随托盘中砝码个数n变化的函数关系如图丙所示。
若图丙中直线纵截距为b，斜率为k，每个砝码质量均为，则托盘质量为_________。（用b、k、表示）
5．（2022·四川巴中·模拟预测）小何和小冯在课本实验基础上进行如图所示的实验改进来验证牛顿运动定律，小车上固定一个盒子，盒子内盛有砂子，砂桶的总质量（包括桶以及桶内砂子质量）记为m，小车的总质量（包括车、盒子及盒内砂子质量）记为M，在平衡摩擦力后：
他俩在质量不变的情况下来验证加速度与合力成正比。从盒子中取出一些砂子，装入砂桶中后称量并记录砂桶的总重力mg，将该力视为合力F，对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出。多次改变合力F的大小，每次都会得到一个相应的加速度。本次实验中，桶内的砂子取自小车中，故系统的总质量不变。以合力F为横轴，以加速度a为纵轴，画出a—F图像。
（1）a—F图像斜率的物理意义是________；
（2）你认为把砂桶的总重力mg当做合力F是否合理？
答∶______（选填“合理”或“不合理”）本次实验中，是否应该满足M >> m这样的条件？答∶________（选填“是”或“否”）；
（3）画出a—F图像正确的是( )
A．B．C．D．
6．（2022·黑龙江·佳木斯一中三模）为了探究加速度与合外力之间的关系，我校研究性学习小组设计了如图（a）所示的实验装置。长木板固定在水平桌面上，力传感器固定在竖直的墙上，光电计时器的光电门固定在竖直支架上，绕过动滑轮的两段绳处于水平（两滑轮光滑且滑轮和绳质量不计），悬挂的重物上固定一窄遮光条。滑块质量为，重物和遮光条的总质量为。现将滑块拉到某一位置，静止释放滑块，重物牵引滑块向左运动，测量并记录释放时遮光条中心到光电门之间的距离以及遮光条通过光电门时的遮光时间和力传感器示数。多次改变重物和遮光条的质量，重复上述操作，并记录多组相应的传感器示数和值。已知重力加速度为。
（1）用20分度的游标卡尺测量出遮光条的宽度如图（b）所示，______mm；
（2）为完成本次实验目的，______保证重物质量远远小于滑块质量（填“需要”或“不需要”）；
（3）平衡摩擦力时悬挂合适重物，让滑块恰好匀速直线运动，记录力传感器示数为，则滑块和桌面间的摩擦力______；
（4）改变重物和遮光条质量，多次重复实验，记录力传感器示数和遮光时间，以为横坐标，以为纵坐标画出图像，直线斜率为，如图所示，则滑块质量______（用，，表示）
7．（2022·四川绵阳·一模）用如图甲所示的实验装置探究“物体的加速度与质量的关系”。完成实验，回答问题：
（1）平衡摩擦。某同学的操作：将小车放在水平长木板上，绕过定滑轮挂上槽码，把木板不带滑轮的一端慢慢垫高，直到小车由静止开始缓慢移动为止。请指出此操作中一处不正确的做法，并简要说明正确做法：__________________。
（2）获取数据。正确平衡摩擦后，按住小车，在小车中放入砝码，挂上槽码，打开打点计时器电源，释放小车，得到一条带有清晰点迹的纸带；在保证小车和砝码质量之和远大于槽码质量条件下，改变小车中砝码的质量，重复操作，得到多条纸带。记下小车中的砝码质量m，利用纸带测量计算小车加速度a。如图乙是其中一条纸带，A、B、C、D、E是计数点，相邻两个计数点间都有4个计时点没有标出，已知交流电频率为50Hz，则这条纸带记录小车的加速度大小为__________m/s2（结果保留两位有效数字）。
（3）处理数据得结论。以m为纵坐标，以为横坐标，在坐标纸上作出关系如图丙。测得图中直线的斜率为k，在纵轴上的截距绝对值为b。回答下列问题：
①小车受到的拉力为_______（用题中已知字母表示）。
②b值等于_______（选填序号）。
A． 小车质量 B．槽码质量 C．小车与砝码质量之和 D．小车与槽码质量之和
③根据图丙的图像，______（选填“可以”或“不可以”）认为：拉力相同时，物体的加速度大小与物体的质量成反比。
8．（2022·浙江温州·一模）小明同学用如图1所示的装置 “探究加速度与力、质量的关系”。他在实验中每次改变小车的质量后，都_____________（选填“需要”或“不需要”）重新补偿阻力。图2是他在实验中得到的一条纸带，纸带上A、B、C、D、E为计数点，相邻计数点间的时间间隔为0.04s，由纸带可知小车的加速度大小为____________（结果保留两位有效数字）。由此可以判断钩码质量____________（选填“满足”或“不满足”）本实验要求。
9．（2022·广东·模拟预测）如图所示，为探究“质量一定时，物体的加速度与所受合外力的关系”的实验装置。
某同学的实验步骤如下：
①用天平测量并记录滑块和拉力传感器的总质量M；
②调整长木板和滑轮，使长木板水平，细线与长木板平行；
③在托盘中放入适当的砝码，接通电源，释放滑块，记录拉力传感器的读数F，根据相对应的纸带，求出滑块的加速度a；
④多次改变托盘中砝码的质量，重复步骤③。
请按要求回答下列问题：
（1）图是该同学实验得到的一条纸带（两计数点间还有四个点没有画出），已知打点计时器用的是频率为50Hz的________（选填“直流电”或“交流电”），根据纸带求出滑块的加速度大小为________m/s2（结果保留三位有效数字）；
（2）该同学由实验得到的数据，画出如图所示的F－a图线，图线不通过原点的原因是________；
（3）该实验还可测量滑块与长木板之间的动摩擦因数，其值可用M、F0、g表示为μ＝________（其中M为滑块和拉力传感器的总质量，F0为图中的纵截距，g为重力加速度），与真实值相比，测得的动摩擦因数________（选填“偏大”或“偏小”）。
10．（2022·黑龙江·哈尔滨三中模拟预测）如图为“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置示意图。砝码和砝码盘的总质量为m，小车的质量为M。
（1）下列说法正确的是( )
A．每次小车都要从同一位置开始运动
B．挂上砝码盘，轻推小车，拖着纸带的小车匀速运动说明摩擦力已被平衡
C．调节定滑轮的高度，使牵引小车的细线与长木板表面保持平行
D．纸带与小车相连端的点迹较疏
（2）如图是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.（结果保留两位有效数字）
（3）某同学想利用此装置测算小车与长木板之间的动摩擦因数μ。于是他让小车在细绳的牵引下水平运动，并通过纸带确定了小车的加速度a。则μ=___________（用m、M、a及重力加速度g表示，小车与长木板之间的摩擦力可认为是滑动摩擦力）1
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