2020高考物理复习第8讲牛二实验

第8讲实验4 探究力和加速度、质量的关系
1．前段时间学习的内容现在是否依然很熟练？
2．是否需要去自己的错题宝库游览一番？
1．实验目的
验证牛顿第二定律
2．实验原理：
（1）如图所示装置，保持小车质量M不变，改变小桶内砂的质量，使小桶和沙的总质量m变化，从而改变细线对小车的牵引力F（当m M
=时，F=mg近似v成立），测出小车的对应加速度a，由多组a、F数据作出加速度和力的关系a-F图线，验证加速度是否与外力成正比。

（2）保持小桶和砂的总质量m不变，在小车上加减砝码，改变小车和砝码的总质量M，测出小车的对应加速度a，由多组a、M数据作出加速度和质量倒数的关系
1
a
M
图线，验证加速度是否与质量成反比。

3．实验器材：
小车，砝码，小桶，砂，细线，附有定滑轮的长木板，垫块，打点计时器，低压交流电源，导线两根纸带，托盘天平及砝码，米尺。

4．实验步骤：
（1）用调整好的天平测出小车和砝码的总质量M，小桶和沙的总质量m ，把数据记录下来。

（2）按如图装置把实验器材安装好，只是不把挂小桶用的细线系在小车上，即不给小车加牵引力。

阶段复习
知识讲练
（3）平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上垫块，反复移动垫块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态（可以从纸带上打的点是否均匀来判断）。

（4）把细线系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，取下纸带，在纸带上写上编号。

（5）保持小车和砝码的总质量不变，改变砂的质量（要用天平称量），按步骤4再做5次实验。

（6）算出每条纸带对应的加速度的值。

（7）用纵坐标表示加速度a ，横坐标表示作用力F ，即砂和桶的总重力mg ，根据实验结果在坐标平面上描出相应的点，作图线。

若图线为一条过原点的直线，就证明了研究对象质量不变时其加速度与它所受作用力成正比。

（8）保持砂和小桶的质量不变，在小车上增加或减少砝码，改变小车和砝码的总质量M ，重复上面的实
验，并做好记录，求出相应的加速度，用纵坐标表示加速度a ，横坐标表示小车和车内砝码总质量的倒数1M
，在坐标平面上根据实验结果描出相应的点并作图线，若图线为一条过原点的直线，就证明了研究对象所受作用力不变时其加速度与它的质量成反比。

5．注意事项：
（1）砂和小桶的总质量不要超过小车和砝码的总质量的1/10。

（2）在平衡摩擦力时，不要悬挂小桶，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，表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡。

（3）作图时应该使所作的直线通过尽可能多的点,不在直线上的点也要尽可能对称地分布在直线的两侧，但如遇个别特别偏离的点可舍去。

【例1】 关于“验证牛顿第二定律”实验中验证“作用力一定时，加速度与质量成反比”的实验过程，以下做法中
正确的是（ ）
A ．平衡摩擦力时，应将装沙的小桶用细绳通过定滑轮系在小车上
B ．每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力
C ．实验时，先放开小车，再接通电源
D ．可以利用天平测出沙桶和沙质量m 和小车质量M ，直接用公式a ＝mg M
求出加速度 【解析】平衡摩擦力时，使小车的重力沿斜面向下的分力与小车运动所受摩擦力平衡，所以不能将小桶系在小车上，A 错。

平衡摩擦力后，小车和板间的动摩擦因数μ＝tan α，与小车的质量无关，所以改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力，B 正确。

实验时，应先接通电源，待打点稳定后，放开小车，C 错误。

本实验是
探究作用力一定时，加速度与质量成反比，不能直接用公式a ＝mg M
求加速度，D 错误。

【答案】B
【例2】如图所示，在探究牛顿运动定律的演示实验中，若1、2两个相同的小车所受拉力分别为F1、F2，车中所放砝码的质量分别为m1、m2，打开夹子后经过相同的时间两车的位移分别为x1、x2，则在实验误差允许的范围内，有（）
A．当m1＝m2、F1＝2F2时，x1＝x2 B．当m1＝m2、F1＝2F2时，x2＝2x1
C．当m1＝2m2、F1＝F2时，x1＝2x2D．当m1＝2m2、F1＝F2时，x2＝2x1
【例3】在“验证牛顿运动定律”的实验中，在研究加速度a与小车的质量M的关系时，由于没有注意始终满足小车的质量远大于重物的质量（M≫m）的条件，结果得到的图像应是图中的（）
【例4】如图甲所示为“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置。

（1）在实验过程中，打出了一条纸带如图乙所示，计时器打点的时间间隔为0.02 s，从比较清晰的点起，每两测量点间还有4个点未画出，量出相邻测量点之间的距离如图乙所示，该小车的加速度大小a ＝________ m/s2（结果保留两位有效数字）。

（2）根据实验收集的数据作出的a－F图线如图所示。

请写出一条对提高本实验结果准确程度有益的建议________。

【例5】某同学为验证牛顿第二定律中“力与加速度”的关系，采用光电门系统来代替位移和时间测量工具，实验装置如图所示。

光滑导轨水平放置，细线绕过可转动的圆形光栅连接小车与重物（重物质量远小于
小车质量），挡板可以在小车到达的时候使小车停下并粘住。

光电门在每次有红外线通过光栅时会记
下1次信号，如图所示，圆形光栅每转过1圈将会记下10次信号。

不计一切摩擦，每次都将小车由静止
释放，在小车停止后，记下重物质量m 、信号次数n 、小车运动时间t 。

（1）小车经过的位移s 与光电门记下的信号次数n 的关系应是________。

A ．s ∝n
B ．s ∝1n
C ．s ∝n 2
D ．s ∝1n 2 （2）若实验后得到了下表所示的数据，试分析，运动时间t 3应约为__________________。

【例6】 为了探究加速度与力的关系，使用如图所示的气垫导轨装置进行实验。

其中G 1、G 2为两个光电门，它
们与数字计时器相连，当滑行器通过G 1、G 2光电门时，光束被遮挡的时间Δt 1、Δt 2都可以被测量并记
录，滑行器连同上面固定的一条形挡光片的总质量为M ，挡光片宽度为D ，光电门间距离为x ，牵引
砝码的质量为m 。

回答下列问题：
（1）实验开始应先调节气垫导轨下面的螺钉，使气垫导轨水平，在不增加其他仪器的情况下，如何判定调节是否到位？
答：___________________________________________________________________。

（2）若取M ＝0.4 kg ，改变m 的值，进行多次实验，以下m 的取值不合适的一个是____________。

A ．m 1＝5 g
B ．m 2＝15 g
C ．m 3＝40 g
D ．m 4＝400 g
（3）在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，求得的加速度的表达式为_____________。

（用Δt1、Δt2、D、s表示）
【例7】某实验小组利用如图甲所示的实验装置探究“物体质量一定时，物体运动的加速度与其合外力之间的关系”。

实验中钩码重力大小与物体所受合外力大小视为相等。

（1）如图乙所示，由20分度的游标卡尺测得遮光条的宽度d＝________ cm。

（2）实验中可选择的钩码有2个，它们的质量分别为m1和m2，且m1>m2，你认为实验中选择________（选填m1或m2）较合适。

（3）实验中可选择的遮光条有2个，它们的宽度分别为d1和d2，且d1>d2，你认为实验中选择________（选填d1或d2）较合适。

（4）该实验小组在a－F坐标系中，画出了如图丙所示的三条曲线。

你认为符合事实的曲线是________（从①②③三条曲线中选出一条，填序号）。

曲线未过坐标原点的原因可能是___________________。

【例8】在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时，采用如图所示的实验装置，小车及车中的砝码质量用M表示，盘及盘中的砝码质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带由打点计数器打上的点计算出：
（1）当M与m的大小关系满足时，
才可以认为绳子对小车的拉力大小等于盘和
砝码的重力。

（2）一组同学在先保持盘及盘中的砝码质量一定，探究做加速度与质量的关系，以下做法错误的是（）
A．平衡摩擦力时，应将盘及盘中的砝码用细绳通过定滑轮系在小车上
B．每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力
C．实验时，先放开小车，再接通打点计时器电源
D．小车运动的加速度可用天平测出m以及小车质量M，直接用公式a＝mg/M求出。

（3）在保持小车及车中的砝码质量质量M一定，探究加速度与所受合外力的关系时，由于平衡摩擦力时操作不当，二位同学得到的a―F关系分别如下图C、D所示（a是小车的加速度，F是细线作用于小车的拉力）。

其原因分别是：
C图：，
D图：。

（4）在探究加速度与所受合外力的关系时，改变所挂钩码的数量，多次重复测量．在某次实验中根据测得的多组数据可画出a F
关系图线（如图所示）．
①分析此图线的OA段可得出的实验结论是：________________________，
②此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是（）
A．小车与轨道之间存在摩擦B．导轨保持了水平状态
C．所挂钩码的总质量太大D．所用小车的质量太大
【例9】如图（a）所示，小车放在斜面上，车前端拴有不可伸长的细线，跨过固定在斜面边缘的小滑轮与重物相连，小车后面与打点计时器的纸带相连。

起初小车停在靠近打点计时器的位置，重物到地面的距离小于小车到滑轮的的距离。

启动打点计时器，释放重物，小车在重物的牵引下，由静止开始沿斜面向上运动，重物落地后，小车会继续向上运动一段距离。

打点计时器使用的交流电频率为50Hz。

图（b）中a、b、c是小车运动纸带上的三段，纸带运动方向如箭头所示。

（1）根据所提供纸带上的数据，计算打c段纸带时小车的加速度大小为____2
m/s。

（结果保留两位有效数字）（2）打a段纸带时，小车的加速度是2
m s。

请根据加速度的情况，判断小车运动的最大速度
2.5/
可能出现在b段纸带中的_________段（选填“AB”、“BC”、“CD”、“DE”、“EF”或“FG”）。

（3）如果取重力加速度2
m s，由纸带数据可推算出重物与小车的质量比为_________。

10/。