2021年人教版力学实验题探究加速度与力、质量的关系

实验题强化专练-探究加速度与力、质量的关系
学校:___________姓名：___________班级：___________考号：___________
一、实验题
为了探究质量一定时加速度与力的关系，一同学设计了如图甲所示的实验装置。其中M为带滑?轮的小车的质量，m为砂和砂桶的质量。（滑轮质量不计）
（1）实验时，一定要进行的操作是______；
A．用天平测出砂和砂桶的质量
B．将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力
C．小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数
D．改变砂和砂桶的质量，打出几条纸带
E．减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M
（2）该同学在实验中得到如图乙所示的一条纸带（两计数点间还有两个点没有画出），已知打点计?时器采用的是频率为50Hz的交流电，根据纸带可求出小车的加速度为______m/s2?（结果保留三位有效数字）；
（3）以弹簧测力计的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，画出的图丙a-F图象是一条直线，图线与横坐标的夹角为θ，求得图线的斜率为k，则小车的质量为______。
为了测量两个质量不等沙袋的质量，由于没有可直接测量的工具（如天平、弹簧秤等），某实验小组应用下列器材测量：轻质定滑轮（质量和摩擦可忽略）、一套总质量为m=0.5kg砝码，细线、米尺、秒表，他们根据所学的物理知识改变实验条件进行多次测量，选择合适的变量得到线性关系，作出图线并根据图线的斜率和截距求出沙袋的质量（g取10m/s2）．具体操作如下：
（1）实验装置如图所示，设左右两边沙袋的质量分别为m2、m1；
（2）从m中取出质量为△m的砝码放在右边沙袋中（剩余砝码都放在左边沙袋中，发现质量为m1的沙袋下降，质量为m2的沙袋上升（质量为m1的沙袋下降过程未与其他物体相碰）；
（3）用米尺测出质量为m1的沙袋从静止开始下降的距离h，用秒表测出质量为m1的沙袋下降距离h所对应的时间t，则可求沙袋的加速度大小为a=______；
（4）改变右边砝码的质量△m，测量相应的加速度a，得到多组△m及a的数据，作出“a～△m”图线；
（5）若求得图线的斜率k=4m/kg?s2，截距为b=2m/s2，沙袋的质量m1=______?kg，m2=______kg．
为了探究物体质量一定时加速度与力的关系，甲、乙同学设计了如图1的实验装置。其中M为带滑轮的小车的质量，m为砂和砂桶的质量，m0为滑轮的质量。力传感器可测出轻绳中的拉力大小。
（1）实验时，一定要进行的操作是______。
A．用天平测出砂和砂桶的质量
B．将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力
C．小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录力传感器的示数
D．为减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M。
（2）甲同学在实验中得到如图2所示的一条纸带（两计数点间还有四个点没有画出），已知打点计时器采用的是频率为50Hz的交流电，根据纸带可求出小车的加速度为______m/s2（结果保留三位有效数字）。
（3）甲同学以力传感器的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，画出如图3的a-F图象是一条直线，图线与横坐标的夹角为θ，求得图线的斜率为k，则小车的质量为______。
A.B.C.-m0D.
（4）乙同学根据测量数据做出如图4所示的a-F图线，该同学做实验时存在的问题是______。
某同学利用图（a）所示实验装置获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系如图（b）所示，实验中小车的质量保持不变，实验室选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮。
（1）根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成______（填“线性”或“非线性”）关系；
（2）由图（b）可知，a-m图线不经过原点，可能的原因是：______；
（3）他重新调整实验装置后把打点计时器接到频率为50Hz的交流电源上，得到一条纸带，打出的部分计数点如图（c）所示（每相邻两个计数点间还有4个点，图中未画出），其中s1=3.59cm，s2=4.4lcm，s3=5.19cm，s4=5.97cm，s5=6.78cm，s6=7.64cm。则打点计时器在打D点时小车的速度vD=______m/s，在充分利用测量数据的基础上他得到的小车加速度a______=m/s2．（结果均保留两位有效数字）
某研究性学习小组利用气垫导轨进行物理实验，实验装置如图（a）所示。在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电门，滑块上固定一遮光条，光电门可以记录下遮光条通过光电门时所用的时间。滑块上装有拉力传感器，可以读出细线上的拉力大小。
①实验前用螺旋测微器测遮光条宽度d，测量结果如图（b）所示，则d=______mm。
②滑块用细线跨过气垫导轨右端的定滑轮与托盘（盘内有砝码）相连，将滑块由图（a）所示位置释放，若已知遮光条通过两个光电门所用时间分别为△t1、△t2以及遮光条宽度d，还测出两光电门间距离L，则滑块的加速度可用上述物理量表示为a=______。
③利用该实验装置还可以进行牛顿定律的验证，关于牛顿定律的验证某同学提出如下观点，其中正确的是______。
A．测量遮光条宽度时可以采取多次测量取平均值的方法消除系统误差
B．实验中加速度已由②中获得，只需读取拉力传感器的读数F并测得滑块、遮光条、拉力传感器的总质量M，即可验证牛顿定律
C．因为拉力传感器可以直接读取拉力，所以不需要调整气垫导轨右端定滑轮的高度，使牵引滑块的细绳与导轨平行
D．因为拉力传感器可以直接读取拉力，所以不需要托盘和砝码的总质量m远小于滑块、遮光条、拉力传感器的总质量M
答案和解析
1.【答案】（1）BCD；
（2）1.33；
（3）??。
【解析】
【解答】
（1）A、物体M受到的力可由弹簧测力计读出，故砂和砂桶的质量可以不用测出，故A错误；
B、将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力是需要进行的操作，因为这样物体M受到的合力就不考虑摩擦力了，故B正确；
C、小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录弹簧测力计的示数是需要操作的，故C正确；
D、改变砂和砂桶的质量，打出几条纸带，是用来改变外力大小的，故也是需要进行的操作，故D正确；
E、因为外力的大小可以通过测力计读出，故不需要保证砂和砂桶的质量m远小于小车的质量M，故E错误；
所以需要进行的操作是：BCD；
（2）小车的加速度a=m/s2≈1.33m/s2；
（3）因为弹簧测力计的示数F为横坐标，加速度为纵坐标，故=k，故F=，
由牛顿第二定律F合=ma得，小车的质量为m===；
故答案为：（1）BCD；（2）1.33；（3）。
【分析】
（1）该实验不需要测量砂及砂桶的质量，绳子的拉力由弹簧秤直接测量，不需要满足砂及砂桶的质量m远小于小车的质量M；
（2）根据逐差法可求得加速度；
（3）根据牛顿第二定律得出a与F的关系式，结合图线斜率的含义求解。
本题实验源于课本实验，但是又不同于课本实验，关键要理解实验的原理，注意该实验不需要测量砂及砂桶的质量，也不需要保证砂及砂桶的质量远小于小车的质量。
2.【答案】（3）；（5）3，1.5．
【解析】解：（3）由题，质量为m1的沙袋从静止开始下降做匀加速直线运动，由h=，解得a=．
（5）根据牛顿第二定律得：
对m1及砝码：（m1+△m）g-T=（m1+△m）a
对m2及砝码：T-（m2+m-△m）g=（m2+m-△m）a
联立解得：a=+
根据数学知识得知：“a～△m”图线斜率k=，截距b=
将m=0.5kg，g=10m/s2，k=4m/kg?s2，b=2m/s2，代入解得：m1=3kg，m2=1.5kg．
故答案为：（3）；（5）3，1.5．
（1）质量为m1的沙袋从静止开始下降做匀加速直线运动，根据下降的距离h和时间，由位移公式求出其加速度．
（2）根据牛顿第二定律对m2、m1分别研究，得出△m与a的关系式，根据数学知识分析图线的斜率与截距的意义，求解两个沙袋的质量．
本题是加速度大小相同的连接体问题，运用隔离法研究加速度，得到a与△m的关系式，再根据图线的数学意义求解两个沙袋的质量．
3.【答案】BC
?
2.00
?
C
?
没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够
【解析】解：（1）AD、本题拉力可以由弹簧测力计测出，不需要用天平测出砂和砂桶的质量，也就不需要使小桶（包括砂）的质量远小于车的总质量，故A、D错误。
B、实验时需将长木板右端垫高，以平衡摩擦力，故B正确。
C、实验时，小车应靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，需记录传感器的示数，故C正确。
故选：BC。
（2）根据△x=aT2，运用逐差法得：
a==m/s2=2.00m/s2。
（3）由牛顿第二定律得：2F=ma，则a=F，a-F图象的斜率：k=
则小车的质量为：m′=m-m0=-m0，故C正确。
（4）当F不等于零，加速度a仍然为零，可知实验中没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够。
故答案为：（1）BC，（2）2.00，（3）C，（4）没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够。
（1）根据实验的原理和注意事项确定正确的操作步骤。
（2）根据连续相等时间内的位移之差是一恒量，运用逐差法求出小车的加速度。
（3）小车质量不变时，加速度与拉力成正比，对a-F图来说，图象的斜率表示小车质量的倒数。
（4）根据F不等于零，加速度a仍然为零，分析图线不过原点的原因。
解决实验问题首先要掌握该实验原理，了解实验的操作步骤和数据处理以及注意事项，小车质量不变时，加速度与拉力成正比，对a-F图来说，图象的斜率表示小车质量的倒数。
4.【答案】非线性?
未平衡摩擦力或为完全平衡摩擦力?
0.56?
0.80
【解析】解：（1）根据该同学的结果得出a-m图线是曲线，即小车的加速度与钩码的质量成非线性关系；
（2）从上图中发现直线没过原点，当a=0时，m≠0，即F≠0，也就是说当绳子上拉力不为0时，小车的加速度为0，所以可能的原因是存在摩擦力。说明实验的步骤中未平衡摩擦力或为完全平衡摩擦力；
（3）各计数点时间之间的时间间隔为0.1s，可得打点计时器在打D点时小车的速度：vD==0.56m/s
小车的加速度：
a===0.80m/s2。
故答案为：（1）非线性；（2）未平衡摩擦力或为完全平衡摩擦力；（3）0.56，0.80
（1，2）该实验的研究对象是小车，采用控制变量法研究。当质量一定时，研究小车的加速度和小车所受合力的关系。为消除摩擦力对实验的影响，可以把木板的右端适当垫高，以使小车的重力沿斜面分力和摩擦力抵消，那么小车的合力就是绳子的拉力。
（3）根据匀变速直线运动某过程中的平均速度等于中点时刻的瞬时速度求出DF点的速度；根据逐差法求出加速度。
该实验是探究加速度与力、质量的三者关系，研究三者关系必须运用控制变量法。
对于实验我们要清楚每一项操作存在的理由。比如为什么要平衡摩擦力，这样问题我们要从实验原理和减少实验误差方面去解决。
5.【答案】8.475
?
?
BD
【解析】解：①螺旋测微器的固定刻度读数为8.0mm，可动刻度读数为0.01×47.5mm=0.475mm，所以最终读数为：8.0mm+0.475mm=8.475mm；
②根据遮光板通过光电门的速度可以用平均速度代替得：
滑块通过第一个光电门时的速度为：v1=
滑块通过第二个光电门时的速度为：v2=
滑块的加速度为：a==；
③A．测量遮光条宽度时可以采取多次测量取平均值的方法减小偶然误差，而系统误差不能消除，故A错误；
B．实验中加速度已由②中获得，只需读取拉力传感器的读数F并测得滑块、遮光条、拉力传感器的总质量M，即可验证牛顿定律，故B正确；
C．因为拉力传感器可以直接读取拉力，但仍需要调整气垫导轨右端定滑轮的高度，使牵引滑块的细绳与导轨平行，故C错误；
D．因为拉力传感器可以直接读取拉力，所以不需要托盘和砝码的总质量m远小于滑块、遮光条、拉力传感器的总质量M，故D正确；
故答案为：①8.475（8.474～8.476）；?②；③BD。
①螺旋测微器的读数方法是固定刻度读数加上可动刻度读数，在读可动刻度读数时需估读；
②光电门测量滑块瞬时速度的原理是遮光条通过光电门的速度可以用平均速度代替即v=，再根据运动学公式即可求出物体的加速度a；
③根据实验原理，结合实验操作，即可一一判定。
解决本题的关键掌握螺旋测微器的读数方法，了解光电门测量瞬时速度的原理；实验中我们要清楚研究对象和研究过程，对于系统我们要考虑全面。
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