物理必修12 实验：探究加速度与力、质量的关系课后测评

2　实验:探究加速度与力、质量的关系

基础过关练

题组一　实验原理与实验器材

1.(多选)在用实验探究加速度和力及质量的关系时,下列关于实验的思路和数据分析,正确的是(　　)

A.实验的基本思路是:保持物体的质量不变,测量物体在不同力作用下的加速度,分析加速度与力的关系

B.实验的基本思路是:保持物体所受力相同,测量质量不同的物体在该力作用下的加速度,分析加速度与质量的关系

C.在处理实验数据时,以a为纵坐标,F为横坐标,根据数据在坐标系中描点,这些点在一条过原点的直线上,说明a与F成正比

D.在处理实验数据时,以a为纵坐标,m为横坐标,根据数据在坐标系中描点,这些点在一条过原点的直线上,说明a与m成正比

2.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,某同学在接通电源进行实验之前,将实验器材组装如图所示,请你指出:

(1)该装置中错误之处为:　; 

(2)该装置中不妥之处为:　。(写一条即可) 

题组二　实验操作及注意事项

3.(2019陕西西安一中高一上期末)利用打点计时器和小车来做“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图甲所示。

甲

(1)关于本实验的操作,下列说法中正确的是　　　　。 

A.要采用控制变量法

B.砝码和砝码盘的总质量越大,实验误差越小

C.平衡摩擦力时,应将砝码盘用细绳跟小车连在一起

D.可以先释放小车再接通打点计时器的电源

乙

(2)在探究加速度与力的关系的实验中,得出如图乙所示的a-F图线,发现图线既不过原点,又不是直线,原因可能是　　　　。 

A.没有完全平衡摩擦力,且小车质量较大

B.平衡摩擦力过度,且小车质量较大

C.没有完全平衡摩擦力,且砝码和砝码盘的总质量较大

D.平衡摩擦力过度,砝码和砝码盘的总质量较大

题组三　数据处理与误差分析

4.(2019江苏如东高级中学高一上测试)某小组利用如图甲所示的装置探究加速度和力及质量的关系。实验中,他们平衡了摩擦力,用天平测出小车的总质量,用细线所挂钩码的总重力代替小车所受的牵引力大小F。

(1)实验得到一条点迹清晰的纸带如图乙所示,O、A、B、C、D是在纸带上选取的计数点,相邻计数点间还有4个点未画出,AB、CD间的距离分别为x1、x2,打点计时器的打点周期为T,则小车运动的加速度大小为　　　　　。 

(2)下表记录了小车质量一定时,牵引力大小F与对应的加速度a的几组数据,请在图丙的坐标中描点作出a-F图线。

丙

(3)实验中画出的a-F图线与理论计算的图线(图中已画出)有明显偏差,其原因主要是　　　　　　　　。 

能力提升练

题组一　数据处理与误差分析

1.(2020吉林省实验中学高一上期末,★★☆)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。

(1)本实验采用的实验方法是控制变量法,下列说法中正确的是(　　)

A.在探究加速度与质量的关系时,应改变小车所受拉力的大小

B.在探究加速度与外力的关系时,应改变小车的质量

C.在探究加速度a与质量m的关系时,作出a-图像能更直观判断出二者间的关系

D.无论在什么条件下,细线对小车的拉力大小总等于砝码盘和砝码的总重力大小

(2)在探究加速度与力的关系时,若取车的质量M=0.5 kg,改变砝码质量m的值,进行多次实验,以下m的取值最不合适的一个是(　　)

A.m1=4 g B.m2=10 g

C.m3=40 g D.m4=500 g

(3)在平衡小车与长木板之间摩擦力的过程中,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,每隔4个点取一个计数点,量出相邻计数点之间的距离,根据图中给出的数据求出该小车的加速度a=　　　　m/s2(结果保留两位有效数字)。 

(4)如图丙所示为某同学在探究加速度a与力F的关系时,根据测量数据作出的a-F图像,说明实验存在的问题是　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

丙

题组二　实验的拓展与创新

2.(2019黑龙江大庆实验中学高一上期末,★★☆)为了探究加速度与力、质量的关系,甲、乙、丙三位同学分别设计了如图所示的实验装置,小车总质量用M表示(乙图中M包括小车与传感器,丙图中M包括小车和与小车相连的滑轮),钩码总质量用m表示。

(1)为便于测量合外力的大小,并得到小车总质量一定时,小车的加速度与所受合外力成正比的结论,下列说法正确的是(　　)

A.三组实验中只有甲需要平衡摩擦力

B.三组实验都需要平衡摩擦力

C.三组实验中只有甲需要满足所挂钩码的总质量m远小于小车的总质量M的条件

D.三组实验都需要满足所挂钩码的总质量m远小于小车的总质量M的条件

(2)图丁是用图甲装置中打点计时器所打的纸带的一部分,O、A、B、C、D和E为纸带上六个计数点,加速度大小用a表示,则OD间的距离为　　　　cm。图戊是根据实验数据绘出的s-t2图线(s为各计数点至同一起点的距离),则加速度大小a=

　　　　m/s2(保留3位有效数字)。 

(3)若乙、丙两位同学发现某次测量中力传感器和弹簧测力计读数相同,通过计算得到小车加速度均为a,g为当地重力加速度,则乙、丙两位同学实验时所用小车总质量之比为　　　　。 

答案全解全析

2　实验:探究加速度与

力、质量的关系

基础过关练

1.ABC　本实验就是利用控制变量法得到a、F、m三者的关系,选项A、B、C所述符合实验的思路和要求,故正确。

2.答案　(1)不应使用干电池,应使用交流电源　(2)实验中没有平衡小车的摩擦力或小车的初始位置应靠近打点计时器

解析　(1)打点计时器需要交流电源才能正常工作,不能使用干电池;

(2)为保证细绳对小车的拉力作为小车所受的合外力,实验前必须平衡摩擦力,该装置没有平衡摩擦力;为了在纸带上打下较多的点,小车的初始位置应靠近打点计时器。

3.答案　(1)A　(2)C

解析　(1)此实验要采用控制变量法,选项A正确;砝码和砝码盘的总质量越小,小车所受的拉力越接近砝码和砝码盘的总重力,实验误差越小,选项B错误;平衡摩擦力时,应不挂砝码盘,只让小车拖着纸带运动,选项C错误;实验时要先接通打点计时器的电源再释放小车,选项D错误。

(2)从题图乙中发现图线没过原点,当a=0时,F>0,也就是说当绳子上有拉力时小车没有加速度,说明平衡摩擦力时,木板一端垫得太低,没有完全平衡摩擦力。F的增大说明砝码和砝码盘的总质量在增大,当砝码和砝码盘的总质量增大到不再满足远小于小车的质量时,小车所受拉力不再近似等于砝码和砝码盘的总重力,则a-F图像中的图线会弯曲,所以图线不是直线的原因是砝码和砝码盘的质量没有远小于车的质量,故A、B、D错误,C正确。

4.答案　(1)　(2)见解析图　(3)不满足小车及所加钩码的总质量远大于所挂钩码质量

解析　(1)因为每相邻两计数点间还有4个点,所以相邻的计数点之间的时间间隔为t=5T,匀变速直线运动中连续相等时间内的位移差为常数即Δx=at2,则有:a==。

(2)根据描点法作出图像,如图所示:

(3)探究加速度与力的关系实验中,当钩码质量远小于小车质量时,可以认为小车受到的拉力等于钩码重力,如果钩码质量太大,没有远小于小车质量,小车受到的拉力明显小于钩码重力,实验误差较大,a-F图像不再是直线,而发生弯曲,变成曲线。

能力提升练

1.答案　(1)C　(2)D　(3)4.2　(4)未平衡摩擦力或者平衡摩擦力不充分

解析　(1)在探究加速度与质量的关系时,应保持小车所受拉力的大小不变,故A错误;在探究加速度与外力的关系时,应保持小车的质量不变,故B错误;探究加速度a与质量m的关系时,为了直观判断二者间的关系,可作出a-图像,故C正确;当小车的质量远大于砝码盘和砝码的总质量时,才能近似认为细线对小车的拉力大小等于砝码盘和砝码的总重力,故D错误。

(2)当小车质量远大于砝码与砝码盘质量时可以近似认为小车受到的拉力等于砝码与砝码盘的总重力,在探究加速度与力的关系时,若取车的质量M=0.5 kg,改变砝码质量m的值,砝码的质量尽可能小一些,所以m的取值最不合适的一个是m4=500 g,故选D。

(3)小车的加速度a=== m/s2=4.2 m/s2。

(4)由图丙所示a-F 图像可知,图像在F轴上有截距,当F≠0时a=0,说明小车受到的合力小于拉力,这是由于没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足造成的。

2.答案　(1)BC　(2)1.20　0.934(0.932~0.936均可)　(3)1∶2

解析　(1)探究加速度与小车所受合外力的关系时,用细线的拉力来代替合外力,要求除细线拉力以外的其他力的合力为零,因此甲、乙、丙三组实验都需要平衡摩擦力;因为乙、丙两图通过力传感器、弹簧测力计能够准确得到小车受到的拉力大小,故不需要像甲图那样要使小车的总质量远大于钩码的总质量。综上可知,A、D错误,B、C正确。(2)由于刻度尺的分度值为1 mm,则OD=12.0 mm=1.20 cm;戊图中的s-t2图线为过原点的直线,即s∝t2,由s=at2可知实验图线斜率k=a,则a=2k=2×0.467 m/s2=0.934 m/s2。(3)由于乙、丙实验中力传感器示数与弹簧测力计示数相同,则丙中小车所受拉力是乙中的2倍,而小车的加速度相同,由此可知,乙、丙两位同学实验时所用小车的质量之比为1∶2。