《2018-2019版高中同步系列课堂讲义物理人教版（通用版）讲义：2.2.2实验：探究加速度与力、质量的关系 》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2018-2019版高中同步系列课堂讲义物理人教版（通用版）讲义：2.2.2实验：探究加速度与力、质量的关系 （13页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2.2.2 实验：探究加速度与力、质量的关系实验：探究加速度与力、质量的关系 一、实验目的 1.学会用控制变量法探究物理规律。 2.探究加速度与力、质量的关系。 3.掌握利用图象处理数据的方法。 二、实验原理 采用控制变量法，在探究加速度与力、质量三者关系时，先让其中一个量保持 不变来探究其他两个量之间的关系。 1.控制小车的质量 M 不变，分析加速度 a 与力 F 的关系。 2.控制砝码和小盘的质量不变，即力 F 不变，改变小车的质量 M，分析加速度 a 与 M 的关系。 三、实验器材 电磁打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、 细绳、交流电源、导线、天平(带有一套
2、砝码)、薄木板、坐标纸、刻度尺。 四、实验步骤 1.测质量：用天平测量小盘的质量 m0和小车的质量 M0。 2.安装器材：按如图所示将实验器材安装好(小车上不系绳)。 3.平衡摩擦力：把木板无滑轮的一端下面垫一薄木板，反复移动其位置，使小 车在不挂小盘和砝码的情况下，能沿木板做匀速直线运动(纸带上相邻点的间距 相等)。 4.测 a、F (1)把小车停在打点计时器处，挂上小盘和砝码，先接通电源，再让小车拖着纸 带在木板上匀加速下滑，打出一条纸带，纸带记录了小车的运动情况，取下纸 带并在纸带上标上号码及此时所挂小盘和砝码的总重力 mg。 (2)保持小车的质量不变，改变小盘中砝码的质量，重复步骤(1
3、)，多做几次实验， 并记录好相应纸带的编号及所挂小盘和砝码的总重力 m2g、m3g 5.测 a、M (1)保持小车所受的合外力不变，在小车上加砝码，接通电源后放开小车，用纸 带记录小车的运动情况；取下纸带，并在纸带上标上号码及小车和砝码的总质 量 M1。 (2)继续在小车上增加砝码，重复步骤(1)，多做几次实验，在每次实验得到的纸 带上标上号码及小车和砝码的总质量 M2、M3 6.用公式 xaT2或 a求得小车的加速度 a，将得到的数据填入相应表格中， 2x T2 以便进行数据验证。 五、数据处理 1.把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中： 物理量123456 作用力 F 加速度 a 以
4、a 为纵坐标、F 为横坐标，根据数据作 aF 图象，用曲线拟合测量点，找出 规律，分析 a 与 F 的关系。 2.把不同质量的小车(小车和砝码)在相同力的作用下产生的加速度大小填在表中： 物理量123456 质量 M 1 M 加速度 a 分别以 a 为纵坐标、M 和为横坐标，根据数据作 aM 图象和 a图象，分 1 M 1 M 析 a 与 M 的关系。 3.实验结论 (1)保持物体质量不变时，物体的加速度 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。 六、误差分析 1.系统误差：本实验用小盘和砝码的总重力 mg 代替小车的拉力，而实际上小车 所受的
5、拉力要小于小盘和砝码的总重力。小盘和砝码的总质量越接近于小车的 质量，误差越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，由此引起的 误差就越小。因此，满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量的目的就是为 了减小因实验原理不完善而引起的误差。 2.偶然误差：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。 七、注意事项 1.平衡摩擦力时不要挂重物，整个实验平衡了摩擦力后。不管以后是改变小盘 和砝码的质量还是改变小车及砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力。 2.实验中必须满足小车和砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量。 3.改变拉力和小车质量后，每次
6、开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接 通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。 4.作图象时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称 分布在所作直线两侧。 要点一 实验原理和实验方法 例 1 在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，渗透了研究问题的多种 科学方法： (1)实验环境的等效法：_； (2)实验条件设计的科学方法：_； (3)实验原理的简化：_， 即当小车质量 M车m沙时，细绳对小车的拉力大小近似等于沙及桶的总重力 m沙g； (4)实验数据处理的科学方法：_； (5)由 aM车图象转化为 a图象，所用的科学方法：_。 1 M车 (以上各题均选填“理想
7、实验法” 、 “图象法” 、 “平衡摩擦力法” 、 “化曲为直法” 、 “控制变量法”或“近似法”) 解析 由于小车运动受到摩擦阻力，所以要进行平衡摩擦力，以减小实验误差， 称为平衡摩擦力法；(2)在探究加速度、力与质量三者关系时，先保持其中一个 量不变，来探究其他两个量之间的关系，称为控制变量法；(3)当小车质量 M车 m沙时，细绳对小车的拉力大小近似等于沙及桶的总重力 m沙g，称为近似法； (4)通过图象研究实验的结果，称为图象法；(5)在作图时，由 aM车图象转化 为 a图象，使图线由曲线转化为直线，称为化曲为直法。 1 M车 答案 (1)平衡摩擦力法 (2)控制变量法 (3)近似法 (
8、4)图象法 (5)化曲为直法 要点二 数据处理和误差分析 例 2 某同学设计了一个探究加速度 a 与物体所受合力 F 及质量 m 的关系的实 验，如图 1 所示，图甲为实验装置简图(交流电的频率为 50 Hz)。 图 1 (1)图乙为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为 _m/s2(保留两位有效数字)。 (2)保持沙和沙桶质量不变，改变小车质量 m，分别得到小车加速度 a 与质量 m 及对应的 数据如下表： 1 m 实验次数 物理量 12345678 小车加速度 a/(ms2) 1.901.721.491.251.000.750.500.30 小车质量 m/kg0.250.29
9、0.330.400.500.711.001.67 /kg1 1 m 4.003.453.032.502.001.411.000.60 请画出 a 图线，并依据图线求出小车加速度 a 与质量倒数 之间的关系式是 1 m 1 m _。 (3)保持小车质量不变，改变沙和沙桶质量，该同学根据实验数据作出了加速度 a 随合力 F 变化的图线，如图 2 所示。该图线不通过原点，请你分析其主要原 因是_。 图 2 思路点拨 解答本题时可按以下思路进行分析： 解析 (1)用逐差法计算加速度。由纸带上的数据可知：x16.19 cm，x26.70 cm，x37.21 cm，x47.72 cm。电火花计时器的打点周
10、期为 T0.02 s，故加速 度 a3.2 m/s2。 x4x3x2x1 4 （2T）2 (2)根据题目提供的小车加速度 a 与质量 m 对应的倒数 的有关数据，可在坐标 1 m 系中描出 8 个对应点，用一条直线“连接”各点，使尽量多的点落在直线上， 不在直线上的点大致均匀分布在直线的两侧，得到的 a 图线如图所示，由图 1 m 可得 a。 1 2m (3)由图可分析，当加速度 a 为零时，拉力 F 并不为零，说明实验前没有平衡摩 擦力或者未完全平衡摩擦力。 答案 见解析 方法总结 实验数据的处理方法图象法、 “化曲为直”法 (1)研究加速度 a 和力 F 的关系 以加速度 a 为纵坐标，力
11、 F 为横坐标，根据测量数据描点，然后作出图象，如 图所示，若图象是一条通过原点的直线，就能说明 a 与 F 成正比。 (2)研究加速度 a 与质量 m 的关系 如图甲所示，因为 am 图象是曲线，检查 am 图象是不是双曲线，就能判断 它们之间是不是反比例关系，但检查这条曲线是不是双曲线，相当困难。若 a 和 m 成反比，则 a 与 必成正比。我们采取“化曲为直”的方法，以 a 为纵坐 1 m 标， 为横坐标，作出 a 图象，若 a 图象是一条直线，如图乙所示，说 1 m 1 m 1 m 明 a 与 成正比，即 a 与 m 成反比。 1 m 要点三 创新方案设计 例 3 两个相同的小车并排放
12、在光滑水平桌面上，小车前端系上细线，线的另 一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘里分别放有不同质量的砝码(图 3 甲)。小车 所受的水平拉力 F 的大小可以认为等于砝码(包括砝码盘)所受的重力大小。小 车后端也系有细线，用一只夹子夹住两根细线(图乙)，控制两辆小车同时开始 运动和结束运动。 图 3 由于两个小车初速度都是零，运动时间又相同，因为 x，即 xa，所以只 at2 2 要测出两小车位移 x 之比就等于测出它们的加速度 a 之比。 实验结果是：当两小车质量相同时，_；当拉力 F 相等时， _。实验中用砝码(包括砝码盘)所受的重力 Gmg 的大小作为小 车所受拉力 F 的大小，这样做会引起实验
13、误差，为了减小这个误差，G 与小车 所受重力 Mg 之间需要满足的关系是：_。 解析 实验过程中，当两小车质量相同时，砝码(包括砝码盘)重力越大，相同 时间内位移越大，则加速度越大，进行实验时会发现，加速度与所受拉力成正 比；若砝码重力不变，即拉力不变时，质量越大的小车，相同时间内位移越小， 即加速度越小，进行测量分析知，加速度与质量成反比。如果砝码(包括砝码盘)的 重力 G 远小于小车的重力 Mg 时，G 近似等于拉力 F。 答案 加速度与拉力成正比 加速度与质量成反比 GMg 方法总结 (1)控制变量法：当研究多个物理量的变化规律时，为了简便，可设计保持其他 物理量不变，只研究剩余两个变化
14、物理量的关系，这种方法叫做控制变量法。 两个相同的小车放在光滑水平面上，前端各系一条细绳，绳的另一端跨过定滑 轮各挂一个小盘，盘中各放数目不等的砝码，就可以验证质量一定的条件下， 加速度与力的关系。 (2)对比实验法：对比实验法在物理实验中经常用到。 两小车后端各系一条细绳，一起被一个夹子夹着而使小车静止(如图所示)。打 开夹子，两小车同时开始运动，关上夹子，两小车同时停下来。用刻度尺测出 两小车通过的位移，位移之比就等于它们的加速度之比。 1.如图 4 所示为“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置图，以下做法正 确的是( ) 图 4 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
15、.本实验中探究的方法是控制变量法 C.实验时，先放开小车，后接通电源 D.“重物的质量远小于小车的质量”这一条件如不满足，对探究结果也不会产 生影响 解析 平衡摩擦力时，应使小车在不受拉力作用下拖动纸带做匀速直线运动， A 错误；实验中采用控制变量法，即探究加速度与合力关系时控制小车质量不 变，研究加速度与小车质量关系时要控制拉力不变，B 正确；实验时，先接通 电源打点，后放开小车拖动纸带运动，C 错误；为减小实验误差，实验时必须 做到重物的质量远小于小车的质量，D 错误。 答案 B 2.(多选)按实验要求组装好器材后，应按一定步骤进行实验，下述操作步骤的合 理顺序是( ) 保持重物的质量不变，在小车里加砝码，测出加速度，重复几次 保持小车质量不变，改变重物的质量，测出加速度，重复几次 用天平测出小车和重物的质量 平衡摩擦力，使小车近似做匀速直线运动 挂上重物，接通打点计时器的电源，放开小车，在纸带上打下一系列的点 根据测量的数据，分别画出 aF 和 a 的图线 1 m A. B. C.
