新高考物理一轮复习知识梳理+巩固练习讲义第三章实验四　探究加速度与力、质量的关系（含答案解析）

这是一份新高考物理一轮复习知识梳理+巩固练习讲义第三章实验四　探究加速度与力、质量的关系（含答案解析），共11页。试卷主要包含了平行，平衡摩擦力，不重复，实验条件，一先一后一按住，作图等内容，欢迎下载使用。

●注意事项
1．平行：安装器材时，要调整滑轮的高度，使拴小车的细绳与木板平行．
2．平衡摩擦力：不悬挂槽码，但小车连着纸带．
3．不重复：改变槽码的质量后不重复平衡摩擦力．
4．实验条件：M≫m，槽码的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，后释放小车，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：本实验用槽码的重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于槽码的重力．
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．
考点 教材原型实验
典例 (2024·湖北武汉质检)如图甲所示为“探究加速度与物体受力、质量的关系”实验装置图．图甲中A为小车，B为装有砝码的小桶，C为一端带有定滑轮的长木板，小车通过纸带与电火花打点计时器相连，打点计时器接50 Hz交流电．小车的质量为m1，小桶(及砝码)的质量为m2.
(1)下列说法正确的是________．
A．每次改变小车质量时，应重新平衡摩擦力
B．实验时应先释放小车后接通电源
C．本实验m1应远大于m2
D．在用图像探究加速度与质量关系时，应作a­eq \f(1,m1)图像
(2)实验时，某同学由于疏忽，遗漏了平衡摩擦力这一步骤，他测量得到的a­F图像，可能是图乙中的图线________(填“①”“②”或“③”)．
(3)如图丙所示为一次记录小车运动情况的纸带的一部分，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两个计数点之间都有4个点迹没有标出，测出各计数点到A点之间的距离．则此次实验中小车运动的加速度的测量值a＝________m/s2.(结果保留2位有效数字)
(4)如图丁所示，探究a­F图像时，发现在AB段明显偏离直线，此误差的主要原因是________．
A．小车与木板之间存在摩擦
B．小桶(含砝码)的质量太大
C．所用小车质量太大
变式 “探究质量一定时，加速度与力的关系”的实验装置如图甲所示，实验中通过传感器将细线中拉力大小的信息传输给数据采集系统，用打点计时器打出的纸带求出小车运动的加速度．
(1)下列说法中正确的是________．
A．细线不需要与长木板平行
B．电火花打点计时器和电磁打点计时器都需要交流电源
C．实验时应先释放小车再接通打点计时器的电源
D．托盘和砝码的总质量应远小于小车(及车内载重)的质量
(2)实验中得到一条打点清晰的纸带如图乙所示，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，已知交变电流的频率为50 Hz，则这条纸带记录小车的加速度大小为________m/s2(结果保留2位有效数字)．
(3)本实验中，是否需要平衡摩擦力？________(填“需要”或“不需要”)．
考点 实验的创新与改进
1．[实验情境创新]小明利用“研究加速度与外力关系”的实验装置来测量滑块与木板间的动摩擦因数μ.如图甲所示，长木板固定在水平桌面上，打点计时器固定在长木板上，纸带穿过打点计时器，与带滑轮的滑块相连．沙桶和力传感器通过绕在滑轮上的细绳相连．调整沙桶的质量，当放开沙桶时，使滑块在木板上做匀加速直线运动(重力加速度为g，滑轮的质量和摩擦可以忽略)．保持滑块质量m不变，给沙桶添加少量细沙改变力传感器的示数F，利用打点计时器打出的纸带求出对应F时的加速度 a，从而得到如图乙所示的 a­F图像，通过图像可以知道：
(1)滑块的质量为________kg.(保留2位有效数字)
(2)利用测得的物理量写出动摩擦因数的表达式：μ＝________；由图像可得滑块与木板间的动摩擦因数μ＝________.(取g＝10 m/s2，保留2位有效数字)
(3)实验中打出的一条纸带如图丙所示，实验中电源频率为50 Hz，图中A、B、C、D、E为相邻的计数点，相邻计数点间有4个计时点未标出，则可求得小车的加速度a＝________m/s2.(计算结果保留2位有效数字)
2．[实验目的创新]某同学利用测质量的小型家用电子秤，设计了测量木块和木板间动摩擦因数μ的实验．如图(a)所示，木板和木块A放在水平桌面上，电子秤放在水平地面上，木块A和放在电子秤上的重物B通过跨过定滑轮的轻绳相连．调节滑轮，使其与木块A间的轻绳水平，与重物B间的轻绳竖直．在木块A上放置n(n＝0,1,2,3,4,5)个砝码(电子秤称得每个砝码的质量m0为20.0 g)，向左拉动木板的同时，记录电子秤的对应示数m.
eq \a\vs4\al(图a)
eq \a\vs4\al(图b)
(1)实验中，拉动木板时________(填“必须”或“不必”)保持匀速．
(2)用mA和mB分别表示木块A和重物B的质量，则m和mA、mB、m0、μ、n所满足的关系式为m＝________________.
(3)根据测量数据在坐标纸上绘制出m－n图像，如图(b)所示，可得木块A和木板间的动摩擦因数μ＝________(保留2位有效数字)．
答案及解析
考点 教材原型实验
典例 (2024·湖北武汉质检)如图甲所示为“探究加速度与物体受力、质量的关系”实验装置图．图甲中A为小车，B为装有砝码的小桶，C为一端带有定滑轮的长木板，小车通过纸带与电火花打点计时器相连，打点计时器接50 Hz交流电．小车的质量为m1，小桶(及砝码)的质量为m2.
(1)下列说法正确的是________．
A．每次改变小车质量时，应重新平衡摩擦力
B．实验时应先释放小车后接通电源
C．本实验m1应远大于m2
D．在用图像探究加速度与质量关系时，应作a­eq \f(1,m1)图像
(2)实验时，某同学由于疏忽，遗漏了平衡摩擦力这一步骤，他测量得到的a­F图像，可能是图乙中的图线________(填“①”“②”或“③”)．
(3)如图丙所示为一次记录小车运动情况的纸带的一部分，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两个计数点之间都有4个点迹没有标出，测出各计数点到A点之间的距离．则此次实验中小车运动的加速度的测量值a＝________m/s2.(结果保留2位有效数字)
(4)如图丁所示，探究a­F图像时，发现在AB段明显偏离直线，此误差的主要原因是________．
A．小车与木板之间存在摩擦
B．小桶(含砝码)的质量太大
C．所用小车质量太大
解析：(1)每次改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力，选项A错误．实验时应先接通电源后释放小车，选项B错误．实验中为了保证小桶及砝码的重力等于绳子的拉力，需要满足m1远大于m2，选项C正确．由于加速度与质量成反比，作a­m1图像无法直观地看出a与m1的定量关系，所以为了得出线性关系需要作a­eq \f(1,m1)图像，选项D正确．
(2)若遗漏了平衡摩擦力这一步骤，则F增加到一定值时，小车才有加速度，即图线与横轴正半轴有交点，可知a­F图像可能是题图乙中的图线③.
(3)根据Δx＝aT2，运用逐差法得a＝eq \f(xCE－xAC,4T2)＝eq \f(21.60－8.79－8.79,4×0.01)×10－2 m/s2＝1.0 m/s2.
(4)以小车与小桶(含砝码)组成的系统为研究对象，系统所受的合外力等于小桶(含砝码)的重力m2g，有m2g＝(m1＋m2)a，小车的加速度a＝eq \f(m2g,m1＋m2)，小车受到的拉力F＝m1a＝eq \f(m1,m1＋m2)m2g，当m2≪m1时，可以认为小车受到的合力等于小桶(含砝码)的重力，如果小桶(含砝码)的质量太大，则小车受到的合力小于小桶(含砝码)的重力，实验误差较大，a­F图像偏离直线，故B正确．
答案：(1)CD (2)③ (3)1.0 (4)B
变式 “探究质量一定时，加速度与力的关系”的实验装置如图甲所示，实验中通过传感器将细线中拉力大小的信息传输给数据采集系统，用打点计时器打出的纸带求出小车运动的加速度．
(1)下列说法中正确的是________．
A．细线不需要与长木板平行
B．电火花打点计时器和电磁打点计时器都需要交流电源
C．实验时应先释放小车再接通打点计时器的电源
D．托盘和砝码的总质量应远小于小车(及车内载重)的质量
(2)实验中得到一条打点清晰的纸带如图乙所示，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，已知交变电流的频率为50 Hz，则这条纸带记录小车的加速度大小为________m/s2(结果保留2位有效数字)．
(3)本实验中，是否需要平衡摩擦力？________(填“需要”或“不需要”)．
解析：(1)为使小车所受合力等于细线的拉力，细线需要与长木板平行，A错误；电火花打点计时器和电磁打点计时器都需要使用交流电源，B正确；实验时应先接通打点计时器的电源，待打点稳定后再释放小车，C错误；由于本实验中，力传感器能直接测得细线对小车的拉力大小，故不需要满足托盘和砝码的总质量远小于小车(及车内载重)的质量，D错误．
(2)由于相邻两个计数点间有4个计时点未标出，故相邻计数点的时间间隔T＝5×0.02 s＝0.1 s，由Δx＝aT2可得，小车的加速度大小a＝eq \f(xCE－xAC,4T2)＝
eq \f(2.39＋3.03－1.14＋1.76,4×0.12)×10－2 m/s2＝0.63 m/s2.
(3)为使细线的拉力等于小车所受的合外力，实验时需要平衡摩擦力．
答案：(1)B (2)0.63 (3)需要
/高/分/技/法
1．在本实验中，必须平衡摩擦力，在平衡摩擦力时，不要把盘和重物系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着纸带运动．
2．在本实验中，力传感器能直接测得细线对小车的拉力大小，故不需要满足盘和重物的总质量远小于小车(及车内载重)的质量．改变小车的质量或拉力的大小时，改变量可适当大一些，若没有力传感器，应满足盘和重物的总质量远小于小车(及车内载重)的总质量．盘和重物的总质量不超过小车和车上砝码总质量的10%为宜．
考点 实验的创新与改进
1．[实验情境创新]小明利用“研究加速度与外力关系”的实验装置来测量滑块与木板间的动摩擦因数μ.如图甲所示，长木板固定在水平桌面上，打点计时器固定在长木板上，纸带穿过打点计时器，与带滑轮的滑块相连．沙桶和力传感器通过绕在滑轮上的细绳相连．调整沙桶的质量，当放开沙桶时，使滑块在木板上做匀加速直线运动(重力加速度为g，滑轮的质量和摩擦可以忽略)．保持滑块质量m不变，给沙桶添加少量细沙改变力传感器的示数F，利用打点计时器打出的纸带求出对应F时的加速度 a，从而得到如图乙所示的 a­F图像，通过图像可以知道：
(1)滑块的质量为________kg.(保留2位有效数字)
(2)利用测得的物理量写出动摩擦因数的表达式：μ＝________；由图像可得滑块与木板间的动摩擦因数μ＝________.(取g＝10 m/s2，保留2位有效数字)
(3)实验中打出的一条纸带如图丙所示，实验中电源频率为50 Hz，图中A、B、C、D、E为相邻的计数点，相邻计数点间有4个计时点未标出，则可求得小车的加速度a＝________m/s2.(计算结果保留2位有效数字)
解析：(1)根据牛顿第二定律2F－μmg＝ma
化简得a＝eq \f(2,m)·F－μg
a­F图像的斜率k＝eq \f(3.00－0,4.0－1.0) kg－1＝1.0 kg－1
结合a­F函数，斜率k＝eq \f(2,m)
代入数据解得m＝2.0 kg.
(2)根据牛顿第二定律2F－μmg＝ma
动摩擦因数μ＝eq \f(2F－ma,mg)
根据a­F图像可知，当a＝0时，F＝1.0 N
解得动摩擦因数μ＝eq \f(2F,mg)＝eq \f(2×1.0,2.0×10)＝0.10.
(3)相邻计数点之间的时间间隔T＝eq \f(5,f)＝eq \f(5,50) s＝0.1 s
根据“逐差法”，小车的加速度
a＝eq \f(x3＋x4－x1－x2,4T2)＝eq \f(AE－AC－AC,4T2)
代入数据解得a＝6.4 m/s2.
答案：(1)2.0 (2)eq \f(2F－ma,mg) 0.10 (3)6.4
2．[实验目的创新]某同学利用测质量的小型家用电子秤，设计了测量木块和木板间动摩擦因数μ的实验．如图(a)所示，木板和木块A放在水平桌面上，电子秤放在水平地面上，木块A和放在电子秤上的重物B通过跨过定滑轮的轻绳相连．调节滑轮，使其与木块A间的轻绳水平，与重物B间的轻绳竖直．在木块A上放置n(n＝0,1,2,3,4,5)个砝码(电子秤称得每个砝码的质量m0为20.0 g)，向左拉动木板的同时，记录电子秤的对应示数m.
eq \a\vs4\al(图a)
eq \a\vs4\al(图b)
(1)实验中，拉动木板时________(填“必须”或“不必”)保持匀速．
(2)用mA和mB分别表示木块A和重物B的质量，则m和mA、mB、m0、μ、n所满足的关系式为m＝________________.
(3)根据测量数据在坐标纸上绘制出m－n图像，如图(b)所示，可得木块A和木板间的动摩擦因数μ＝________(保留2位有效数字)．
解析：(1)木块与木板间的滑动摩擦力与两者之间的相对速度无关，则实验拉动木板时不必保持匀速．
(2)对木块、砝码以及重物B受力分析可知μ(mA＋nm0)g＋mg＝mBg，解得m＝mB－μ(mA＋nm0)．
(3)根据m＝mB－μmA－μm0·n，结合图像可知μm0＝eq \f(59－19,5－0) kg＝8 kg，则μ＝0.40.
答案：(1)不必 (2)mB－μ(mA＋nm0) (3)0.40
实验原理创新
(1)利用力传感器可得轻绳上拉力大小．
(2)将探究加速度与合力的关系转化为探究加速度与力传感器的示数的关系
实验情境创新
(1)用光电门代替打点计时器，结合遮光条的宽度可测滑块的速度．
(2)利用气垫导轨代替长木板，无需平衡摩擦力．
(3)由力传感器测滑块的拉力，无需满足m≪M
实验目的创新
(1)结合光电门得出物块在A、B两点的速度，由veq \\al(2,B)－veq \\al(2,A)＝2ax得出物块的加速度．
(2)结合牛顿第二定律mg－μMg＝(M＋m)a得出物块与水平桌面间的动摩擦因数