实验4　探究加速度与物体受力、物体质量的关系-备战2022年高考物理实验复习全能突破

实验4　探究加速度与物体受力、物体质量的关系 知识体系·思维导图 考点整合·素养提升 主题1 注意事项 1.平衡摩擦力:在平衡摩擦力时,不要悬挂小盘,但小车应连着纸带且接通电源。用手给小车一个初速度,如果在纸带上打出的点的间隔是均匀的,则表明小车受到的摩擦力跟它的重力沿斜面向下的分力大小相等。 2.不重复平衡摩擦力:平衡了摩擦力后,不管以后是改变小盘的质量还是改变小车的质量,都不需要重新平衡摩擦力。 3.实验条件:M≫m,只有如此,小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力。 4.一先一后一按住:改变拉力和小车的质量后,每次开始实验时小车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电源,后放开小车,且应在小车到达滑轮前按住小车。 5.作图:作图时两轴标度比例要适当,各物理量须采用国际单位。这样作图线时,坐标点间距不至于过密,误差会小些。 主题2 误差分析 1.因实验原理不完善引起误差。以小车、小盘和砝码整体为研究对象得mg=(M+m)a;以小车为研究对象得F=Ma;求得F=·mg=·mg <mg。 本实验用小盘和砝码的总重力mg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。小盘和砝码的总质量越小于小车的质量,由此引起的误差就越小。因此,控制小盘和砝码的总质量远远小于小车的质量的目的就是减小因实验原理不完善而引起的误差。 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偶然误差。 知识训练·能力提升 能力点一　实验原理及操作 1.平衡:必须平衡摩擦力(改变小车或重物质量,无须重新平衡摩擦力)。 2.质量:重物的总质量应远小于小车质量(若使用力传感器,或以小车与重物的系统为研究对象不需满足此要求)。 3.要测量的物理量: (1)小车质量。 (2)小车受到的拉力。 (3)小车的加速度(根据纸带用逐差法或根据光电门数据来求)。 4.其他:细绳与长木板平行;小车从靠近打点计时器的位置释放,在到达定滑轮前按住小车,实验时先接通电源,后释放小车。实验结束后,先关闭电源再取下纸带。 【典例1】[2020年7月浙江选考,T17(1)]做“探究加速度与力、质量的关系”实验时,图1甲是教材中的实验方案;图1乙是拓展方案,其实验操作步骤如下: 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。 (1)实验获得如图2所示的纸带,计数点a、b、c、d、e、f间均有四个点未画出,则在打d点时小车的速度大小vd=　　　 m/s(保留2位有效数字)。  (2)需要满足条件M≫m的方案是　　　　(选填“甲”、“乙”或“甲和乙”);在作a-F图像时,把mg作为F值的是　　　　(选填“甲”、“乙”或“甲和乙”)。  【答案】(1)0.18(或0.19)　(2)甲　甲和乙 【解析】(1)相邻两个计数点间的时间间隔T=0.1 s,由匀加速直线运动中,平均速度等于中间时刻的瞬时速度可得,在打d点的小车的速度 vd== m/s≈0.19 m/s。 (2)在图甲的实验方案中,由托盘和砝码的重力提供拉力,让小车做匀加速直线运动,由牛顿第二定律可得mg=(M+m)a,则a= g,则绳子对小车的拉力F=Ma=·mg。当M≫m时,绳子拉力近似等于托盘和砝码的重力。故甲需要满足M≫m。 在图乙的实验方案中,挂上托盘和砝码,小车匀速下滑,设斜面的倾斜角为θ,斜面和纸带对小车的摩擦力或阻力总和为f,则有Mgsin θ=f+mg。取下托盘和砝码,小车做匀加速直线运动,由牛顿第二定律可得Mgsin θ-f=Ma,即mg=Ma。故乙方案中,不需要满足M≫m。 在甲、乙方案中,均用托盘和砝码的重力mg作为小车做匀加速直线运动时所受的合力F。 能力点二 数据处理与误差分析 1.利用Δx=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、连线,如果这些点在一条过原点的直线上,如图1所示,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,如图2所示,就能判定a与M成反比。 4.误差分析 (1)质量的测量、纸带上计数点间距离的测量、拉线或纸带与木板不平行、平衡摩擦力不准确等会造成偶然误差。 (2)实验原理不完善,如只有当M≫m时,才可近似认为小车所受的拉力FT等于mg,否则会导致实验产生较大的系统误差。 【典例2】(2020年北京卷,T15)在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中,做如下探究: (1)为猜想加速度与质量的关系,可利用图1所示的装置进行对比实验。两小车放在水平板上,前端通过钩码牵引,后端各系一条细线,用板擦把两条细线按