备战2025届新高考物理一轮总复习第3章运动和力的关系第6讲实验探究加速度与物体受力物体质量的关系课件

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一、实验目的1.学会用控制变量法研究物理量的关系。2.探究加速度与力、质量的关系。3.掌握利用图像处理数据的方法。二、实验器材打点计时器、纸带、小车、一端附有定滑轮的长木板、槽码、夹子、细绳、交变电源、导线、天平、刻度尺、砝码。
三、实验思路(一)控制变量法的应用将小车置于水平木板上,用细绳通过滑轮与槽码相连,小车可以在槽码的牵引下运动。1.保持小车质量不变,研究加速度与力的关系。2.保持小车所受的拉力不变,研究加速度与质量的关系。(二)物理量的测量1.用天平测量质量:为了改变小车的质量,可以在小车中增减砝码的数量。2.将打点计时器的纸带连在小车上,根据纸带上打出的点来测量加速度。3.现实中,仅受一个力作用的物体几乎不存在。然而,一个单独的力的作用效果与跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的。因此,实验中作用力F的含义可以是物体所受的合力。用阻力补偿法确定小车受到的合力——槽码的牵引力。
四、进行实验1.称量质量——用天平测量槽码和小车的质量。
2.安装器材——按如图所示装置安装器材(暂时不把悬挂槽码的细绳系在小车上)。
　　　 　使细绳的拉力等于小车所受合力3.平衡摩擦及其他阻力——在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块,反复移动薄木块的位置,直至小车能拉着纸带匀速下滑。 纸带上所打点均匀为标志4.测量加速度(1)保持小车的质量不变,打出一条纸带。计算槽码的重力,由纸带计算出小车的加速度,填入表中。改变槽码的个数,多做几次实验。(2)保持槽码个数不变,在小车上放上砝码改变小车的质量,让小车在木板上滑动打出纸带。计算砝码和小车的总质量,并由纸带计算出小车对应的加速度,填入表中。改变小车上砝码的个数,多做几次实验。
五、数据分析1.利用Δs=aT2及逐差法求a。2.以a为纵坐标,F为横坐标,根据各组数据描点,如果这些点在一条过原点的直线上,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。六、误差分析1.实验原理不完善:本实验用槽码所受的重力代替小车所受的拉力,而实际上小车所受的拉力要小于槽码所受的重力。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。
七、其他方案概述方案:通过位移之比测量加速度之比
如图所示,将两辆相同的小车放在水平木板上,前端各系一条细线,线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘中可以放不同的重物。把木板一端垫高,参考前面的阻力补偿法补偿阻力的影响,两小车后端各系一条细线,用一个物体,例如黑板擦,把两条细线同时按压在木板上。抬起黑板擦,两小车同时开始运动,按下黑板擦,两小车同时停下来。用刻度尺测出两小车移动的位移s1、s2。由于两小车运动时间t相同,从它们的位移之比就可以得出加速度之比。完成上述实验后,在盘中重物相同的情况下,通过增减小车中的重物改变小车的质量,再进行实验。
考向一 实验原理和实验操作典题1 (2023天津宁河二模)探究加速度与力、质量的关系的实验装置如图所示,小车装有砝码,现做如下探究:
(1)下列对实验操作的判断正确的是　　　　(填字母代号)。 A.调节定滑轮的高度,使牵引小车的细绳与长木板保持平行B.在调节长木板倾斜度平衡小车受到的滑动摩擦力时,将装有砝码的小盘通过定滑轮系在小车上C.实验时,先放开小车再接通打点计时器的电源D.每次改变小车质量时,不需要重新调节长木板倾斜度(2)为使砝码及小盘的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力,应满足的条件是砝码及小盘的总质量　　　　(选填“近似等于”“远大于”或“远小于”)小车和小车上砝码的总质量。 
解析 (1)实验中细绳要保持与长木板平行,A正确;平衡摩擦力时不能将小盘和砝码通过定滑轮系在小车上,B错误;实验时应先接通电源再放开小车,C错误;平衡摩擦力后,每次改变小车的质量时,小车的重力沿斜面的分力和摩擦力仍能抵消,不需要重新平衡摩擦力,D正确。
考向二 数据处理和误差分析典题2 (2023山东日照二模)探究加速度与力、质量的关系的实验装置如图甲所示。
(1)实验时,某同学在一条点迹清晰的纸带上每隔4个点取一个计数点,分别记为A、B、C、D、E、F、G,它们到O点的距离如图乙所示。已知打点计时器所用交流电源的频率是50 Hz,可得小车的加速度大小是　　　　 m/s2。(计算结果保留两位小数) 
(2)如果实验时所用交变电流的频率是49 Hz,而做实验的同学并不知道,则加速度的测量值　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)真实值。 
(3)两同学同时各取一套图甲所示的装置放在水平桌面上进行实验,在没有平衡摩擦力的情况下,研究加速度a与拉力F的关系,分别得到图丙中的A、B两条直线。若小车与轨道间的动摩擦因数分别为μA、μB,则μA　　　　(选填“大于”“小于”或“等于”)μB。 
解析 (1)根据题意可知,交流电源频率为50 Hz,每隔4个点取一个计数点,则相邻计数点间的时间间隔为T=0.1 s,由逐差法有sDG-sAD= ,解得a=0.99 m/s2。(2)如果实验时所用交变电流的频率是49 Hz,则相邻计数点间的实际时间间隔大于0.1 s,而做实验的同学并不知道,计算所用T的值比实际值小,所以测量的加速度值大于真实的加速度值。(3)没有平衡摩擦力时,对小车受力分析,根据牛顿第二定律有F-μmg=ma,整理得a= F-μg,可知图像的纵截距为-μg,则有μA>μB。
考点二　实验的改进与创新
考向一 实验器材的创新典题3 某物理兴趣小组利用如图甲所示的装置探究牛顿第二定律。气垫导轨置于水平桌面上,G1和G2为两个光电门,A为带有遮光片的滑块,其质量为m0,B为重物,其质量为m,重力加速度为g,实验过程如下:
(1)将细线取下,轻推滑块A,测得遮光片通过光电门G1、G2的时间分别为Δt1、Δt2,若气垫导轨水平,则有Δt1　　　　(选填“>”“=”或“hA)。打开手机软件,烧断一侧细线,记录下小球与地面两次碰撞声的时间图像。(两小球落地后均不反弹)
(1)烧断细线前,用分度值为1 cm的刻度尺测量hA,刻度尺的0刻度线与地面齐平,小球A的位置如图乙所示,则hA=　　 cm。 
(2)实验时烧断物块左侧的细线,若算得A下落时间为0.40 s,由图丙可知,物块加速运动的时间为　　　　　 s;若将手机放在靠近小球A的地面上测量物块加速运动的时间,测量结果会　　　　　(选填“偏大”“偏小”或“不变”)。(3)仅改变小球B实验前离地高度hB,测量不同高度下物块加速运动时间t,作出hB-t2图像如图丁所示,由图像可求得斜率为k,若小球B的质量为m,物块质量为m0,重力加速度大小为g,则物块与木板间的动摩擦因数μ=　　　 　　。(用字母k、m、m0、g表示)