高中物理人教版 (2019)必修 第一册实验：探究加速度与力、质量的关系当堂检测题

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基础过关练
题组一 教材经典实验
1.(2026重庆期末)在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,采用如图甲所示的装置设计实验。
(1)设计本实验应用的最主要思想方法是 。
A.理想实验法 B.假设法 C.控制变量法
(2)在探究加速度与力的关系时,若测得小车质量M=0.4 kg,改变砝码质量m,进行多次实验,以下m的取值最不合适的一个是 。
A.m=4 g B.m=10 g C.m=40 g D.m=500 g
(3)关于该实验操作,下列说法正确的是 。
A.补偿阻力时,小车前不需要悬挂砝码盘
B.除了图甲中的器材外,完成该实验还需要刻度尺
C.平衡摩擦力是为了使小车受到的合外力等于小车受到细线的拉力
D.每次改变小车质量后都需要重新平衡摩擦力
(4)图乙是某同学在实验中打出的一条纸带,已知打点计时器打点的时间间隔为0.02 s,他从比较清晰的点A开始,每五个计时点取一个计数点,由此可求得小车的加速度大小为 m/s2。(结果保留2位有效数字)
(5)在本实验中认为细线对小车的拉力F等于砝码和砝码盘的总重力,已知两位同学利用实验数据作出的a-F图线如图丙中的1、2所示,下列分析正确的是 。(选填选项前的字母)
丙
A.出现图线1的原因可能是在平衡摩擦力时长木板的倾斜角度过大
B.出现图线1的原因可能是在平衡摩擦力时长木板的倾斜角度过小
C.出现图线2的原因可能是砝码和砝码盘的总质量不合适
D.出现图线2的原因可能是小车的质量过大
2.(2026广东中山期末,)A同学利用图甲所示实验装置探究“加速度与力、质量的关系”。
(1)关于平衡摩擦力,下列说法正确的是 。
A.平衡摩擦力是为了使细绳的拉力等于托盘和砝码的总重力
B.平衡摩擦力时,小车前端应当用细绳悬挂托盘,但托盘中不放砝码
C.正确操作后启动打点计时器,轻推小车,若纸带上点迹均匀,则摩擦力平衡完成
(2)图乙为A同学在正确操作后得到的一条纸带,已知交流电源的频率为50 Hz,纸带上每隔四个点取一个计数点,则小车的加速度大小为 m/s2。(结果保留2位有效数字)
(3)B同学设计如图丙所示的实验装置来探究“加速度与力、质量的关系”,具体操作步骤如下:
丙
①挂上托盘和砝码,改变木板的倾角,使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑;
②取下托盘和砝码,测出其总质量为m,让小车沿木板下滑,测出加速度a;
③改变砝码质量和木板倾角,多次测量,通过作图可得到a-F的关系图像。
实验中小车在沿斜面下滑时受到的合力F (填“大于”“小于”或“等于”)mg,该实验 (填“需要”或“不需要”)满足m≪M。
题组二 拓展创新实验
3.(2026四川攀枝花期末)某实验小组利用如图甲所示实验装置探究小车加速度与力的关系,实验步骤如下:
甲
乙
(ⅰ)按图甲所示安装实验器材,测量遮光条的宽度d及遮光条到光电门的距离x(保证d≪x);
(ⅱ)保持小车质量不变,由静止释放小车,记录光电门的遮光时间Δt;
(ⅲ)逐个增加钩码数量,重复步骤(ⅱ);
(ⅳ)处理实验数据,分析得出结论。
据此回答以下问题:
(1)安装实验器材时细线与带滑轮的木板之间应保持 。
(2)小车的加速度大小的表达式为 。(用实验步骤中所测物理量的字母表示)
(3)①保持小车质量不变时测得小车的加速度a和拉力F的数据如表所示,请根据表中数据在图乙中画出a-F图线。
②反向延长a-F图线发现其并未过坐标原点,小组成员经过讨论分析后认为可能遗漏的实验步骤是 。
4.(2026河南新乡期末)实验小组采用如图1所示的实验装置,验证“当质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合力成正比”这一物理规律。已知小车的质量为M,重物的质量为m,图1中力传感器可测细线拉力大小。试回答下列问题:
(1)除实验装置图中器材外,实验时还需要的有 。
A.直流电源 B.交流电源
C.秒表 D.刻度尺
(2)本实验 (选填“需要”或“不需要”)满足“M远大于m”,本实验用到的方法是 (选填“控制变量法”或“等效法”)。
(3)图2是实验中得到的一条纸带,相邻两个计数点间还有四个点未画出,电源的频率是50 Hz,计数点间的距离已在图中标出,则小车的加速度大小为 m/s2。(结果保留3位有效数字)
(4)实验小组利用实验数据得到的a-F图像如图3所示,图线没有过原点的原因可能是 。
答案
基础过关练
1.答案 (1)C (2)D (3)ABC (4)0.81 (5)AC
解析 (1)该实验探究加速度与力、质量的关系,研究三者关系必须先使某一个量不变,研究另外两个量之间的关系,即运用控制变量法,选C。
(2)实验时要求小车质量M要远远大于砝码盘和砝码的总质量,D中砝码的质量m大于M,所以D最不合适,故选D。
(3)补偿阻力时,小车前不需要悬挂砝码盘,让小车带着穿过限位孔的纸带一起运动即可,A正确;除了题图甲中的器材外,完成该实验还需要刻度尺,利用刻度尺测量计数点之间的距离,从而计算加速度,B正确;平衡摩擦力是为了使小车受到的合外力等于小车受到细线的拉力,C正确;每次改变小车质量后不需要重新平衡摩擦力,D错误。
(4)处理数据时,每五个计时点取一个计数点,则相邻计数点间的时间间隔为T=5×0.02 s=0.1 s,根据位移差公式有xCE-xAC=a(2T)2,解得小车的加速度大小为a=(19.24-8.00)-8.00(2×0.1)2×10-2 m/s2=0.81 m/s2。
(5)图线1纵轴截距的物理意义是F=0时,加速度不等于0,出现图线1的原因是平衡摩擦力时,长木板的倾斜角度过大,A正确,B错误;F较大时图线2的斜率变小,则出现图线2是因为不再满足小车的质量远大于砝码和砝码盘的总质量的条件,C正确,D错误。
2.答案 (1)C (2)0.53 (3)等于 不需要
解析 (1)平衡摩擦力是为了使细绳的拉力等于小车受到的合力,A错误;平衡摩擦力是用小车的重力沿木板方向的分力平衡阻力,所以小车前端不应当悬挂托盘,B错误;正确操作后启动打点计时器,轻推小车,若纸带上的点迹均匀,说明小车做匀速运动,则摩擦力平衡完成,C正确。
(2)纸带上每隔四个点取一个计数点,相邻计数点间的时间间隔为T=5×1f=5×150 s=0.1 s,根据位移差公式可知,小车的加速度大小为a=xDG-xAD9T2=3.70+4.23+4.76-3.17-2.65-2.129×0.12×10-2 m/s2≈0.53 m/s2。
(3)质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑时,小车受力平衡,沿木板方向有mg+f=Mg sin θ;取下托盘和砝码,测出其总质量为m,小车在沿斜面下滑时受到的合力为F=Mg sin θ-f=mg,根据上述结论可知,不需要满足m≪M。
3.答案 (1)平行 (2)d22x(Δt)2 (3)①图见解析
②将木板左侧垫高,平衡木板对小车的摩擦力
解析 (1)为使细线对小车的拉力恒定,安装实验器材时细线与带滑轮的木板之间应保持平行。
(2)遮光条通过光电门时的速度为v=dΔt,小车做匀加速直线运动,有v2=2ax,解得a=d22x(Δt)2。
(3)①根据表中数据在图乙中画出a-F图线,如图所示。②a-F图线与横轴正半轴相交,说明小车加速度为零时,细线对小车有拉力,可能遗漏的实验步骤是将木板左侧垫高,平衡木板对小车的摩擦力。
4.答案 (1)BD (2)不需要 控制变量法
(3)1.72 (4)平衡摩擦力过度
解析 (1)除实验装置图中器材外,实验时还需要的有交流电源给打点计时器供电,还需要刻度尺测量纸带上的数据;不需要直流电源和秒表,故选B、D。
(2)本实验因有力传感器测量小车所受的拉力,则不需要满足“M远大于m”;本实验用到的方法是控制变量法。
(3)相邻两个计数点间还有四个点未画出,电源的频率是50 Hz,相邻计数点间的时间间隔为T=0.1 s,则小车的加速度大小为a=xCE-xAC4T2=(33.79-13.46-13.46)×10-24×0.12 m/s2≈1.72 m/s2。
(4)由图3可知,当F=0时小车已经有了加速度,即重力分力大于摩擦力,可知原因可能是木板一端抬得过高,平衡摩擦力过度。F/N
0.20
0.30
0.40
0.50
a/(m·s-2)
0.10
0.21
0.29
0.40