《2017-2018学年高中物理 第五章 研究力和运动的关系 5.2 探究加速度与力、质量的关系 沪科版必修1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2017-2018学年高中物理 第五章 研究力和运动的关系 5.2 探究加速度与力、质量的关系 沪科版必修1（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5.2 探究加速度与力、质量的关系 一、实验目的 1.用控制变量法探究加速度与力、质量的关系。 (1)物体的质量一定时,探究加速度与力的关系。 (2)物体受力一定时,探究加速度与质量的关系。 2.学会用图像验证物理规律的方法。 二、实验原理 1.探究方法控制变量法 当研究三个物理量之间的关系时,先保持某个量不变,研究另外 两个量之间的关系,这种研究问题的方法叫做控制变量法。这种方 法是物理学中研究和处理问题时经常采用的方法。本节使用的方 法即是“控制变量法”。 (1)保持物体的质量不变,测量物体在不同外力作用下的加速度, 分析加速度与外力的关系。 (2)保持物体所受外力相同,测量不同质量的物体
2、在该力作用下 的加速度,分析加速度与质量的关系。 2.要测量的物理量 (1)小车及车上砝码的总质量M用天平测出。 (2)小车受的拉力F用天平测出小桶及桶内细沙的总质量m, 由F=mg算出。 (3)小车的加速度a通过打点计时器打出的纸带计算得出。 三、实验器材 小车,砝码,小桶,细沙,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,托盘天平及砝码,刻度尺。 探究突破典例剖析随堂检测 一、实验步骤 1.用天平测量小车的质量m0。 2.按如图所示把实验器材安装好,只是不把悬挂小桶的细绳系在 小车上(即不给小车加牵引力)。 3.平衡摩擦力:在长木板不带定滑轮的一端下面垫
3、上一块薄木板, 反复移动薄木板的位置,直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直 线运动状态。这时,小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小 车所受的重力在斜面方向上的分力平衡。(此时,打点计时器打出 的纸带上相邻点的间距相等) 探究突破典例剖析随堂检测 4.把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶,小车停在打点计时器 处,并在小桶内放入适量的细沙,先接通电源,再放开小车,打点计时 器在纸带上打下一系列的点,打完点后切断电源,取下纸带。用天 平测量小桶和细沙的质量并计算小桶和细沙的重力,即为小车所受 的合力,由纸带计算出小车的加速度,并把力和对应的加速度填入 表(一)中。 表(一) 探究突破典例剖析随堂检
4、测 5.改变小桶内细沙的质量,重复步骤4,多做几次。 6.保持小桶和桶内细沙的质量不变,在小车上放上适量的砝码,放 手后,让小车运动打出纸带,计算砝码和小车总质量M,并由纸带计 算出小车对应的加速度,填入表(二)中。 表(二) 7.改变小车上砝码的个数,重复步骤6,多做几次。 探究突破典例剖析随堂检测 二、数据处理 1.作a-F图像:根据表(一)记录的数据,用纵坐标表示加速度a、横 坐标表示作用力F,描点画a-F图像,(如图所示)在误差允许的范围内 ,所描绘的各点大致分布在同一条过坐标原点的直线上。 探究突破典例剖析随堂检测 探究突破典例剖析随堂检测 3.实验结论 (1)保持物体质量不变时,物
5、体的加速度a与所受力F成正比。 (2)在力F不变时,物体的加速度a与质量M成反比。 探究突破典例剖析随堂检测 三、误差分析 1.因实验原理不完善造成系统误差。实验中用小桶和桶内的细 沙的总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小 桶和细沙的总重力),存在系统误差;小桶和细沙的总质量越接近小 车的质量,误差就越大;反之,小桶和细沙的总质量越小于小车的质 量,误差就越小。 2.测量、操作不够准确造成偶然误差。 (1)质量的测量误差。 (2)纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差。 (3)拉线或纸带不与木板平行会造成误差。 (4)平衡摩擦力不够(或过度)造成的误差,该误差使作出的图线在
6、横轴(或纵轴)上产生截距。 探究突破典例剖析随堂检测 四、注意事项 1.平衡摩擦力:一定要做好平衡摩擦力的工作,也就是调出一个合 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。在平衡摩擦力时,不要把悬挂小桶的细绳系在小车上,即 不要给小车加任何牵引力,并要让小车拖着打点的纸带运动。 2.不重复平衡摩擦力:实验步骤2、3不需要重复,即整个实验平衡 了摩擦力后,不管以后是改变小桶和细沙的总质量还是改变小车和 砝码的总质量,都不需要重新平衡摩擦力。 3.实验条件:每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量 远大于小桶和细沙的总质量的条件下打出。只有如此,小桶和细沙 的总重力才
7、可视为小车受到的拉力。 4.一先一后再一按: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,后放开小车,且在小车到达滑 轮前按住小车。 探究突破典例剖析随堂检测 类型一、实验操作与注意事项 【例1】 (多选)在做探究加速度与力、质量的关系的实验时,下 列说法正确的是( ) A.平衡摩擦力时,应将沙桶和沙子通过定滑轮拴在小车上 B.连接沙桶和小车的细绳应跟长木板保持平行 C.平衡摩擦力后,长木板的位置不能移动 D.小车释放前应靠近打点计时器,且应先接通电源再释放小车 解析:探究加速度与力、质量的关系的实验中,需要平衡摩擦力, 应使纸带穿过打点计时器的限位孔,但不能连接
8、沙桶,A错;为保证 绳上的拉力等于小车受到的合力,连接沙桶和小车的细绳必须与长 木板平行,B对;平衡摩擦力后,若改变了木板的位置,就破坏了mgsin =f阻(为长木板倾角、m为小车质量)的关系,故C对;为充分利用纸 带,小车释放前应靠近打点计时器,且先接通电源再释放小车,D对 。 答案:BCD 探究突破典例剖析随堂检测 规律方法要理解平衡摩擦力的原理是让小车的重力沿斜面向下 的分力与小车所受的阻力平衡。 探究突破典例剖析随堂检测 类型二、数据处理与误差分析 【例2】某组同学设计了探究加速度a与物体所受合力F及质量m 的关系实验,图甲为实验装置简图,A为小车,B为电火花计时器,C为 装有细沙的小
9、桶,D为一端带有定滑轮的长方形木板,实验中认为细 绳对小车的拉力F等于细沙和小桶的总重力,小车运动的加速度a可 用纸带上打出的点求得。 (1)图乙为某次实验得到的纸带,已知实验所用电源的频率为50 Hz。根据纸带可求出小车的加速度大小为 m/s2。(结果保 留两位有效数字) 探究突破典例剖析随堂检测 (2)在探究加速度a与质量m的关系时,保持细沙和小桶质量不变, 改变小车质量m,分别记录小车加速度a与其质量m的数据。在分析 处理数据时,该组同学产生分歧:甲同学认为应该根据实验中测得 的数据作出小车加速度a与其质量m的图像;乙同学认为应该根据 实验中测得的数据作出小车加速度a与其质量倒数 的图像
10、。两位 同学都按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注,但尚未 完成图像。你认为同学 (填“甲”或“乙”)的方案更合理, 请继续帮助该同学作出图像。 探究突破典例剖析随堂检测 探究突破典例剖析随堂检测 (3)在探究加速度a与合力F的关系时,保持小车的质量不变,改变 小桶中细沙的质量,该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的 图像如图丙所示,该图线不通过坐标原点,试分析图线不通过坐标 原点的原因。 探究突破典例剖析随堂检测 解析:(1)在连续相等的时间间隔内,从纸带上可得到四段位移大 小,可以选用逐差法计算加速度。 s1=6.19 cm,s2=6.70 cm,s3=7.21 cm,s4=7
11、.72 cm, 探究突破典例剖析随堂检测 (3)由题中a-F图线知F增大至某一值时物体开始有加速度,说明 实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足。 探究突破典例剖析随堂检测 答案:(1)3.2 (2)乙 图像见解析 (3)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。 探究突破典例剖析随堂检测1234 1.(多选)在验证加速度与质量成反比的实验中,以下做法正确的是( ) A.平衡摩擦力时,应将重物用细绳通过定滑轮系在小车上 B.实验时,先接通电源,待打点稳定后,再放开小车 C.“悬挂重物的质量远小于小车的质量(含砝码)”这一条件如不满 足,对验证过程也不会产生影响 D.如果a- 图像是通过原点的一条直
12、线,则说明物体的加速度a与 质量m成反比 解析:平衡摩擦力时,不需要悬挂重物,选项A错误;实验时,应先接通 电源,再放开小车,选项B正确;悬挂的重物必须远小于小车的质量( 含砝码),才能认为小车受的拉力等于重物的重力,选项C错误;加速 度a与 成正比的话,就说明加速度a与质量m成反比,选项D正确。 答案:BD 探究突破典例剖析随堂检测1234 2.关于探究加速度与力、质量的关系的实验,下列说法正确的是( ) A.通过同时改变小车的质量m及受到的拉力F的研究,可以归纳出 加速度、力、质量三者之间的关系 B.通过保持小车质量不变,只改变小车的拉力的研究,可以归纳出加 速度、力、质量三者之间的关系
13、C.通过保持小车受力不变,只改变小车质量的研究,可以归纳出加速 度、力、质量三者之间的关系 D.先保持小车质量不变,研究加速度与力的关系;再保持小车受力 不变,研究加速度与质量的关系,最后归纳出加速度、力、质量三 者之间的关系 探究突破典例剖析随堂检测1234 解析:由于实验中有三个量同时变化,在研究过程中采用控制变量 法,通过保持小车质量不变,只改变小车所受拉力的研究,可以归纳 出加速度、力二者之间的关系,再通过保持小车受力不变,只改变 小车质量的研究,可以得出加速度、质量二者之间的关系,所以D项 正确。 答案:D 探究突破典例剖析随堂检测1234 3.王凯同学在做探究加速度与力、质量的关系
14、的实验中,平衡摩擦 力时,把长木板的一端垫得过高,使得倾角变大,若以加速度a为纵坐 标,以小车受到的拉力F为横坐标,那么,他所得到的a-F图像应为( ) 解析:图线为直线,表明小车总质量M远大于钩码质量m;a-F图线与F 轴交于原点右侧表明摩擦力平衡不够,a-F图线与a轴交于原点上方 ,表明摩擦力平衡过大;a-F图线过原点,表明摩擦力平衡恰当。当不 满足小车总质量M 远大于钩码质量m的条件时,图线将发生弯曲。 因此选项C正确。 答案:C 探究突破典例剖析随堂检测1234 4.在做探究加速度和力、质量的关系的实验中,保持小车和砝码的 总质量不变,测得小车的加速度a和拉力F的数据如表所示: (1)根据表中的数据在坐标系上作出a-F图像。 (2)图线(或延长线)与F轴截距的物理意义是 。
