高考物理一轮复习讲义专题3.3　本专题实验（解析版）

专题3.3本专题实验【讲】【讲核心素养】科学探究：探究加速度与力、质量的关系（1）学会利用控制变量法来设计实验的能力。（2）体会补偿思想在物理实验中的应用。（3）会用纸带、光电门等处理实验数据【讲考点题型】【知识点一】实验：探究加速度与力、质量的关系1.实验目的（1）学会应用控制变量法研究物理规律。（2）探究加速度与力、质量的关系。（3）掌握利用图像处理数据的方法。2.实验原理（1）控制变量法①保持质量不变，探究加速度与合力的关系。②保持合力不变，探究加速度与质量的关系。（2）求加速度a＝eq\f(x4＋x5＋x6－x1－x2－x3,9T2)或a＝eq\f(Δx,T2)。3.实验器材小车、砝码、小盘、细绳、一端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。4.实验步骤（1）质量的测量：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（即不给小车施加牵引力）。（3）用阻力补偿法测合力：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小盘通过细绳绕过定滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车，断开电源，取下纸带，编号码。②保持小车的质量m不变，改变小盘和砝码的质量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的图像。⑤保持小盘和砝码的质量m′不变，改变小车质量m，重复步骤①和③，作a－eq\f(1,m)图像。5.注意事项（1）用阻力补偿法测合力：适当垫高木板不带定滑轮的一端，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。在用阻力补偿法测合力时，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）不用重复用阻力补偿法测合力。（3）实验条件：m≫m′。（4）一先一后一按：改变拉力或小车质量后，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。6.误差分析（1）实验原理不完善：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）用阻力补偿法测合力不准确、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。7.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，描点、画线，如果该线为过原点的直线，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、画线，如果该线为过原点的直线，就能判定a与m成反比。【方法总结】1．平衡摩擦力：平衡摩擦力时，要调出一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力。此时，不要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车给任何牵引力，要让小车拖着纸带匀速运动。2．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。3．一先一后：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，后放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。【例1】（2020·浙江·高考真题）做“探究加速度与力、质量的关系”实验时，图甲是教材中的实验方案；图乙是拓展方案，其实验操作步骤如下：（ⅰ）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；（ⅱ）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；（ⅲ）改变砝码质量和木板倾角，多次测量，通过作图可得到SKIPIF1<0的关系。①实验获得如图所示的纸带，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SKIPIF1<0_____SKIPIF1<0（保留两位有效数字）；②需要满足条件SKIPIF1<0的方案是_____（选填“甲”、“乙”或“甲和乙”）；在作SKIPIF1<0图象时，把SKIPIF1<0作为F值的是_____（选填“甲”、“乙”或“甲和乙”）。【答案】

0.18～0.19

甲

甲和乙【解析】①．打点计时器打点周期SKIPIF1<0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点时小车的速度SKIPIF1<0②．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SKIPIF1<0则SKIPIF1<0则绳子对小车的拉力SKIPIF1<0当SKIPIF1<0时，绳子拉力近似等于托盘和砝码的重力。故甲需要满足SKIPIF1<0。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SKIPIF1<0，斜面和纸带对小车的摩擦力或阻力总和为f，则有SKIPIF1<0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SKIPIF1<0即SKIPIF1<0故乙方案中，不需要满足SKIPIF1<0。在甲乙方案中，均用托盘和砝码的重力mg作为小车匀加速的直线运动的合力及F。【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学探究。要求考生能准确理解实验原理明确实验的操作步骤。【必备知识】本实验的难点是测量小车的合力，实验通过两个“替代”关系测量小车的合力，使小车合力的测量转化为对悬挂物重力的测量。1．平衡摩擦力——用小车所受的拉力替代合力小车受力为重力、拉力、阻力、支持力，平衡摩擦力后，使重力、阻力和支持力的合力为零，则小车所受的拉力等于小车的合力。2．小车质量（M）远大于悬挂物质量（m）——用悬挂物重力替代小车所受的拉力由牛顿第二定律：系统加速度a＝eq\f(m,M＋m)g，小车所受的拉力F＝Ma＝Meq\f(mg,M＋m)＝eq\f(1,1＋\f(m,M))mg，显然，当M≫m时，F≈mg。【变式训练1】2020·全国·高考真题）一细绳跨过悬挂的定滑轮，两端分别系有小球A和B，如图所示。一实验小组用此装置测量小球B运动的加速度。令两小球静止，细绳拉紧，然后释放小球，测得小球B释放时的高度h0=0.590m，下降一段距离后的高度h=0.100m；由h0下降至h所用的时间T=0.730s。由此求得小球B加速度的大小为a=_______m/s2（保留3位有效数字）。从实验室提供的数据得知，小球A、B的质量分别为100.0g和150.0g，当地重力加速度大小为g=9.80m/s2。根据牛顿第二定律计算可得小球B加速度的大小为a′=_______m/s2（保留3位有效数字）。可以看出，a′与a有明显差异，除实验中的偶然误差外，写出一条可能产生这一结果的原因：__________。【答案】

1.84

1.96

滑轮的轴不光滑，绳和滑轮之间有摩擦（或滑轮有质量）【解析】①有题意可知小球下降过程中做匀加速直线运动，故根据运动学公式有SKIPIF1<0代入数据解得a=1.84m/s2；②根据牛顿第二定律可知对小球A有SKIPIF1<0对小球B有SKIPIF1<0带入已知数据解得SKIPIF1<0；③在实验中绳和滑轮之间有摩擦会造成实际计算值偏小。【知识点二】会分析实验拓展与创新高考实验题一般源于教材而不拘泥于教材，是在教材实验的基础上创设新情境，通过改变实验条件、实验仪器设置题目，不脱离教材而又不拘泥于教材，体现开放性、探究性、设计性等特点，本实验创新点体现在以下几方面：实验目的的创新1.实验器材的改进：利用重力沿斜面方向的分力提供物块加速下滑的动力。2.设问方式的创新：利用牛顿第二定律测量物块与斜面间的动摩擦因数。实验器材的创新利用位移传感器与计算机相连，直接得出小车的加速度。1.用光电门代替打点计时器，结合遮光条的宽度可测滑块的速度。2.利用气垫导轨代替长木板，无需平衡摩擦力。3.由力传感器测滑块受到的拉力，无需满足m≪M。实验过程的创新1.结合光电门得出物块在A、B两点的速度，由veq\o\al(2,B)－veq\o\al(2,A)＝2ax得出物块的加速度。2.结合牛顿第二定律mg－μMg＝（M＋m）a得出物块与水平桌面间的动摩擦因数。【例2】（2021·湖南·高考真题）某实验小组利用图（a）所示装置探究加速度与物体所受合外力的关系。主要实验步骤如下：（1）用游标卡尺测量垫块厚度SKIPIF1<0，示数如图（b）所示，SKIPIF1<0___________SKIPIF1<0；（2）接通气泵，将滑块轻放在气垫导轨上，调节导轨至水平；（3）在右支点下放一垫块，改变气垫导轨的倾斜角度；（4）在气垫导轨合适位置释放滑块，记录垫块个数SKIPIF1<0和滑块对应的加速度SKIPIF1<0；（5）在右支点下增加垫块个数（垫块完全相同），重复步骤（4），记录数据如下表：SKIPIF1<0123456SKIPIF1<00.0870.1800.2600.4250.519根据表中数据在图（c）上描点，绘制图线___________。如果表中缺少的第4组数据是正确的，其应该是___________SKIPIF1<0（保留三位有效数字）。【答案】

1.02

0.342【解析】（1）垫块的厚度为h=1cm+2×0.1mm=1.02cm（5）绘制图线如图；根据SKIPIF1<0可知a与n成正比关系，则根据图像可知，斜率SKIPIF1<0解得a=0.342m/s2【素养提升】本题考察的学科素养主要是科学思维。要求考生能在基础实验原理的理解上能迁移应用并能借助数学逻辑推理得出实验结论。【变式训练2】（2020·北京·高考真题）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在桌上，使小车静止。抬起板擦，小车同时运动，一段时间后按下板擦，小车同时停下。对比两小车的位移，可知加速度与质量大致成反比。关于实验条件，下列正确的是：________（选填选项前的字母）。A．小车质量相同，钩码质量不同B．小车质量不同，钩码质量相同C．小车质量不同，钩码质量不同（2）某同学为了定量验证（1）中得到的初步关系，设计实验并得到小车加速度SKIPIF1<0与质量SKIPIF1<0的7组实验数据，如下表所示。在图2所示的坐标纸上已经描好了6组数据点，请将余下的一组数据描在坐标纸上，并作出SKIPIF1<0图像______。次数1234567SKIPIF1<00.620.560.480.400.320.240.15SKIPIF1<00.250.290.330.400.500.711.00（3）在探究加速度与力的关系实验之前，需要思考如何测“力”。请在图3中画出小车受力的示意图。为了简化“力”的测量，下列说法正确的是：__________（选填选项前的字母）。A．使小车沿倾角合适的斜面运动，小车受力可等效为只受绳的拉力B．若斜面倾角过大，小车所受合力将小于绳的拉力C．无论小车运动的加速度多大，砂和桶的重力都等于绳的拉力D．让小车的运动趋近与匀速运动，砂和桶的重力才近似等于绳的拉力【答案】

B

AD【解析】（1）为了探究加速度与质量的关系，必须控制小车所受拉