高中物理人教版 (2019)必修 第一册2 实验：探究加速度与力、质量的关系课时作业

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2.能够完成实验的操作和测量过程，以及通过控制变量法对数据进行图像处理，体验如何平衡摩擦力，减小系统误差（钩码所受的重力不等于小车所受的拉力等）的操作方法。
1．实验原理
(1)保持质量不变，探究加速度跟合外力的关系．
(2)保持合外力不变，探究加速度与质量的关系．
(3)作出a－F图象和a－eq \f(1,m)图象，确定其关系．
2．实验器材
小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、导线两根、纸带、天平、米尺．
3．实验步骤
(1)测量：用天平测量小盘和砝码的质量m′和小车的质量m.
(2)安装：按照如实验原理图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)．
(3)平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，使小车能匀速下滑．
(4)操作：①小盘通过细绳绕过滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车，取下纸带编号码．
②保持小车的质量m不变，改变砝码和小盘的质量m′，重复步骤①.
③在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a.
④描点作图，作a－F的图象．
⑤保持砝码和小盘的质量m′不变，改变小车质量m，重复步骤①和③，作a－eq \f(1,m)图象．
4．规律方法总结
1．注意事项
(1)平衡摩擦力：适当垫高木板的右端，使小车的重力沿斜面方向的分力正好平衡小车和纸带受到的阻力．在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速运动．
(2)不重复平衡摩擦力．
(3)实验条件：m≫m′.
(4)一先一后一按：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后释放小车，且应在小车到达滑轮前按住小车．
2．误差分析
(1)因实验原理不完善引起的误差：本实验用小盘和砝码的总重力m′g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．
(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．
3．数据处理
(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，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，eq \f(1,m)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．
（2023秋•萨尔图区校级期末）某实验小组欲以如图所示实验装置“探究加速度与物体受力和质量的关系”．图中A为小车，B为装有砝码的小盘，C为一端带有定滑轮的长木板，小车通过纸带与电磁打点计时器（未画出）相连，小车的质量为m1，小盘（及砝码）的质量为m2。
（1）下列说法正确的是 ．
A．实验时先放开小车，再启动计时器
B．每次改变小车质量时，应重新平衡摩擦力
C．本实验中应满足m2远小于m1的条件
D．在用图象探究小车加速度与受力的关系时，应作a﹣m1图象
（2）在实验中挑选一条点迹清晰的纸带如下图，打点计时器的频率为50Hz，每5个点取一个计数点，用刻度尺测量计数点间的距离，纸带的一段如图所示，由纸带求得小车加速度为 m/s2。（结果保留两位有效数字）
（1）根据实验注意事项分析判断；
（2）根据逐差法求小车加速度；
（2023秋•雁塔区期末）采用如图甲所示的实验装置进行“探究加速度与力、质量的关系”的实验：
（1）把木板的一侧垫高，调节木板的倾斜度，使小车在不受牵引力时能拖动纸带沿木板匀速运动。此处采用的物理研究方法是 ；
A.理想化模型法B.等效替代法C.阻力补偿法
（2）除了图甲中所给器材以及交流电源和导线外，在下列器材中，还必须使用的器材是 （选填正确选项的字母）。
A.秒表B.天平（含砝码）C.刻度尺
（3）关于实验操作，下列说法正确的是 ；
A.实验前应调节滑轮高度，使滑轮和小车间的细线与木板平行
B.实验时应先释放小车，再接通打点计时器电源
C.每次改变小车所受的拉力后需要重新平衡摩擦力
（4）某次实验得到的纸带如图乙所示，已知相邻计数点间的时间间隔为T＝0.1s，则小车的加速度a＝ m/s2，打下计数点3时的瞬时速度v3＝ 。（结果保留两位有效数字）
（5）在本实验中认为细线的拉力F等于砝码和砝码盘的总重力mg，已知三位同学利用实验数据做出的a﹣F图像如图丙中的1、2、3所示。下列分析正确的是 （选填选项前的字母）。
A.出现图线1的原因可能是没有平衡摩擦力
B.出现图线2的原因可能是砝码和砝码盘的质量不合适
C.出现图线3的原因可能是在平衡摩擦力时长木板的倾斜度过大
（2023秋•台州期末）利用图甲所示装置可以完成力学中的许多实验，请回答下列问题：
（1）图甲中的打点计时器应选用的电源是 。
（2）利用此装置可以做 。
A．“探究小车速度随时间变化的规律”实验
B．“探究加速度与力、质量的关系”实验。
①以上两个实验中需要平衡阻力的是 （填写“A”、“B”或者“A和B”）；
②下面几组图是平衡阻力过程中的某一瞬间，操作正确的是 。
③关于以上两个实验的操作正确的是 。
A．实验前都需要调整牵引小车的细线水平
B．实验都要求先接通打点计时器，后释放小车
C．实验都需要槽码的质量远小于小车的质量
D．打出的一条纸带都能获得多组实验数据
（3）经正确操作后打出一条纸带，截取其中一段如图乙所示。点0、1、2、3、4、5为计数点（相邻两点之间时间差为0.1s），则计数点4的读数为 cm，小车的加速度为 m/s2（计算结果保留3位有效数字）。
【基础强化】
（2024•广东模拟）控制变量法是科学探究的方法之一。在利用打点计时器“探究加速度与力、质量的关系”的实验中用到了此方法，该实验装置如图所示，槽码质量远小于小车质量，下列实验操作正确的是（ ）
A．实验时，先放开小车，再接通打点计时器的电源
B．实验前无需平衡小车所受的摩擦力
C．探究加速度与质量的关系时，仅改变槽码的质量
D．探究加速度与小车所受拉力关系时，仅改变槽码的质量
（2024•西城区校级模拟）用如图所示的实验装置探究“质量一定时，物体加速度与所受合外力的关系”，小车的质量为M，托盘和砝码的总质量为m，平衡摩擦力后进行实验（ ）
A．要保证m远小于M
B．小车所受的合外力等于2mg
C．释放小车后立即接通打点计时器
D．在托盘中增加砝码，重复实验
（2023秋•碑林区校级期末）在某次探究加速度与力、质量的关系的实验中，甲同学设计了如图1所示的实验装置，小车总质量用M，重物质量用m表示。
（1）为便于测量合力的大小，并得到小车总质量一定时，小车的加速度与所受合力成正比的结论，实验中 （填“需要”或“不需要”）垫高长木板以平衡摩擦力， （填“需要”或“不需要”）满足所挂重物质量m远小于小车的总质量M的条件。
（2）按设计装置操作正确地完成实验，根据实验得到一条纸带如图2所示。打点计时器所接交流电频率为50Hz。图中O、A、B、C、D为相邻的计数点，相邻两计数点间还有4个点未画出，则小车运动的加速度a＝ m/s（结果保留三位有效数字）。
（3）甲同学在保持小车质量不变的情况下，通过调整改变小车所受合力，多次实验，由实验数据作出的a﹣F图像如图3所示，则小车质量为 kg。（结果保留两位有效数字）
【素养提升】
（2023秋•西宁期末）用图1所示的实验装置探究加速度与力、质量的关系。
（1）除图中器材外，还需要两种测量工具是 （选填选项前的字母）。
A.秒表B.天平（含砝码）C.弹簧测力计D.刻度尺
（2）实验中打出的一条纸带的一部分如图2所示。纸带上标出了连续的3个计数点A、B、C，相邻计数点之间还有4个点没有标出。打点计时器接在频率为50Hz的交流电源上。由图中数据可计算出小车的加速度a＝ m/s2（结果保留两位有效数字）。
（3）某同学猜想加速度与力成正比，与质量成反比，因此他认为可以不测量加速度的具体数值，仅测量不同条件下物体加速度的比值即可。他采用图3所示的实验装置，将轨道分为上下双层排列，两小车尾部的刹车线由后面的刹车系统同时控制，能使两小车同时运动或同时停下来。实验中通过比较两辆小车的位移来比较它们的加速度。你认为这位同学的方法可行吗？请说明理由。
（2023秋•下城区校级期末）为了探究加速度与物体受力、物体质量的关系，某同学用如图甲所示的实验装置进行实验。
（1）以下说法正确的是 （多选）。
A.验证a与F两者关系时，槽码质量不变，改变小车质量（含车内重物），不需要满足小车质量远大于槽码质量
B.定滑轮和小车间的细绳要保持水平
C.此实验用一条纸带就可以完成
D.测量相邻两点间的距离时，应该用毫米刻度尺靠近计数点，一次读出所有计数点对应的刻度值，然后逐一相减，得出相邻计数点间距离的数值
（2）图乙是实验中的一条纸带，已知交流电频率为50Hz，两相邻计数点间均有四个计时点未画出，根据纸带可求出小车加速度为 m/s2。（结果保留两位有效数字）
（3）在图丙中以槽码重力大小为横坐标F，小车加速度a为纵坐标，描点如图丙所示，请作出a﹣F图线。
（4）根据a﹣F图线，小车的质量（含车内重物）M＝ kg。（保留两位有效数字）。
【能力培优】
（2023秋•齐齐哈尔期末）一物理兴趣小组用如图所示的装置，探究“加速度与质量的关系”，通过改变放在小车上的砝码质量，改变小车（含遮光片）与砝码的总质量M。
（1）实验要平衡摩擦力，具体操作为：不悬挂砂桶，将长木板没有定滑轮的一端适当垫高，轻推小车，如果 ，则摩擦力得到平衡；
（2）实验还需要的部分操作有 ；
A．悬挂砂桶后调节细线与木板平行 B．测量砂和砂桶质量m
C．调节砂和砂桶质量m远小于M D．小车每次在同一位置释放
（3）调节好实验器材后，第一次实验：由静止释放小车，记录小车经过光电门1、2时遮光片挡光时间t1、t2，小车（含遮光片）及砝码的总质量M1，力传感器的示数F；第二次实验：向小车中添加砝码，小车（含遮光片）及砝码的总质量为M2，由静止释放小车，此时会发现力传感器的示数 （选填“大于”或“小于”）F，通过适当 （选填“增加”或“减小”）砂桶中砂的质量，使力传感器的示数仍为F，重新实验，记录小车经过光电门1、2时遮光片挡光时间t′1、t′2，如果表达式 成立，则表明合外力一定时，加速度与质量成反比。
（2023秋•沙坪坝区校级期末）某物理兴趣小组的同学设计了如图甲所示的实验装置来探究“当小车质量不变时，小车加速度和合力之间的关系”。装置中质量不计的力传感器可以测出与之连接的轻绳拉力的大小，所有滑轮的质量以及与转轴间的摩擦忽略不计，实验过程中木板上方的轻绳始终保持与木板平行。
（1）实验中正确的做法是 （填正确答案标号）。
A．用天平测出砂和砂桶的总质量
B．将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡阻力
C．小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车
D．为减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的总质量m远小于小车的质量M
（2）某次实验中，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两个计数点之间都有4个点迹未标出，测得各计数点到A点的距离如图乙所示。已知打点计时器所用电源的频率为50Hz，则小车的加速度大小a＝ m/s2（结果保留2位有效数字）。
（2023秋•朝阳期末）“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示。小车后面固定一条纸带，穿过电火花计时器，细线一端连着小车，另一端通过光滑的定滑轮和动滑轮与挂在竖直面内的拉力传感器相连，拉力传感器用于测小车受到拉力的大小。
（1）在安装器材时，要调整定滑轮的高度，使拴小车的细绳与木板平行。请选出你认为这样做的目的是 （填字母代号）
A．防止打点计时器在纸带上打出的点痕不清晰
B．为达到在平衡摩擦力后使细绳拉力等于小车所受的合力
C．防止小车在木板上运动过程中发生抖动
D．为保证小车最终能够实现匀速直线运动
（2）实验中 （选填“需要”或“不需要”）满足所挂钩码质量远小于小车质量。
（3）某小组在实验中打出的纸带一部分如图乙所示。用毫米刻度尺测量并在纸带上标出了部分段的长度。已知打点计时器使用的交流电源的频率为50Hz。由图数据可求得：打点计时器在打A点时小车的瞬时速度大小为 m/s；小车做匀加速运动的加速度大小为 m/s2。（计算结果均保留三位有效数字）
（4）某同学根据实验数据作出了加速度a与力F的关系图像如图内所示，图线不过原点的原因 。
A．钩码质量没有远小于小车质量
B．平衡摩擦力时木板倾角过大
C．平衡摩擦力时木板倾角过小或未平衡摩擦力