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1、2实验:探究加速度与力、质量的关系一二三四一、实验目的1.用控制变量法探究加速度与力、质量的关系。即(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.学会用图象法处理数据得出结论。一二三四二、实验器材打点计时器、纸带及复写纸、低压交流电源、导线、一端带有定滑轮的长木板、小车、细绳、重物、天平、刻度尺。一二三四三、实验原理1.当研究三个物理量之间的关系时,先要保持某个量不变,研究另外两个量之间的关系,再保持另一个量不变,研究其余两个量之间的关系,然后综合起来得出结论。这种研究问题的方法叫作控制变量法,这种方法是物理学中研究和处理问题时经常采用的方法。
2、本节使用的方法就是“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。探究过程中可以采用根据实验数据绘制图象的方法,也可以采用比较的方法,看不同的外力与其产生的加速度的比值有何关系。(2)保持物体所受外力相同,测量不同质量的物体在该力作用下的加速度,分析加速度与质量的关系。探究过程中采用根据实验数据绘制图象的方法。一二三四2.本实验要测量的物理量有质量、加速度和力。测量质量用天平,需要研究的是怎样测量加速度和力。(1)测量加速度的方案:采用较多的方案是运用打点计时器在与运动物体连接的纸带上打点,借助纸带上打出的点,根据连续相等的时间间隔T内的位移
3、差相等即x=aT2求出加速度。条件许可的情况下,也可以采用气垫导轨和光电门。由于本实验的目的是探究加速度与力、加速度与质量间的比例关系,因而也可不测加速度的具体数值,而测不同条件下加速度的比值。若两物体做初速度为0的匀加速运动,一二三四(2)测量物体所受的外力的方案:由于上述测量加速度的方案只能适用于匀变速直线运动,所以我们必须给物体提供一个恒定的外力,并且要测量这个外力。教材的参考案例提供的外力比较容易测量,采用这种方法是不错的选择。以教材提供的实验“参考案例”为例,教材图4.2-4所示实验装置中,为实验研究对象小车(连同车内的砝码)提供恒力的是所挂重物小盘和砝码。实验中我们认为,使小车做匀
4、加速运动的力,与小盘和砝码的重力大小相等。为此,必须满足以下两个实验条件:水平板应尽可能光滑,并将木板连接打点计时器一端垫高到一个合适的角度,使连有纸带的小车(未挂小盘)在上面轻轻一推便恰能匀速下滑为止。即用小车重力沿斜面方向的分力平衡摩擦力。在改变物体的质量时,应保持小车与其中砝码的质量远远大于盘与盘中砝码的质量。一二四三四、实验步骤1.用天平测出小车和重物的质量分别为m0、m0,并把数值记录下来。2.按图将实验器材安装好(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块,反复移动其位置,直到打点计时器正常工作后不挂重物的小车在斜面上做匀速直线运动为止(所打纸带上相邻点间距相
5、等)。一二四三4.将重物通过细绳系在小车上,接通电源放开小车,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此时所挂重物的重力m0g。5.保持小车的质量不变,改变重物的重力,重复步骤4,多做几次实验,每次小车从同一位置释放,并记录好重物的重力m1g、m2g以及计算出相应纸带的加速度填入表格1。表格1物体的质量一定,加速度与受力的关系一二四三6.保持重物的质量不变,在小车上加放砝码,并测出小车与所放砝码的总质量m,接通电源,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。7.继续在小车上加放砝码,重复步骤6,多做几次实验,在每次得到的纸带上标上号码。一二四三8.计算出每次
6、实验所得纸带的加速度值及小车与砝码的总质量填入表格2。表格2物体受到的外力一定,加速度与质量的关系一二三一、实验中应注意的事项1.平衡摩擦力时不要挂重物,在小车后拖上纸带,先接通电源,再用手给小车一个初速度。若在纸带上打出的点的间隔是均匀的,表明平衡了摩擦力,否则必须重新调整小木块的位置。整个实验过程平衡了摩擦力后,不管以后是改变重物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。平衡摩擦力是指小车所受动力(重力沿斜面向下的分力)与小车所受阻力(包括小车所受摩擦力和打点计时器对小车所拖纸带的摩擦力)大小相等。一二三2.平衡摩擦力之后,每次实验必须满足小车和砝码的总质量远大于所挂重物的质量
7、的条件,只有如此,所挂重物的重力才可视为与小车所受拉力相等。3.每次准备释放小车时,小车应靠近打点计时器,应先接通电源再放开小车,当小车靠近滑轮时用手按住小车。4.作图象时,要使尽可能多的点在一条直线上,不在直线上的点要尽可能对称分布在直线两侧,离直线较远的点误差较大,可舍去。一二三二、数据处理1.分析加速度和力的关系依据表格1,以加速度a为纵坐标,以外力F为横坐标,作出a-F关系图象,如图甲所示,由此得出结论。甲一二三一二三三、误差分析1.因实验原理不完善造成误差:本实验中用所挂重物的重力代替小车受到的拉力(实际上小车受的拉力要小于所挂重物的重力),存在系统误差。所挂重物的质量越小于小车的质
8、量,误差越小,反之误差越大。2.夹口的密合性能差是造成误差的原因。由于小车的质量和速度较大,夹子不易夹住小车的后拖线;有些时候夹子夹住一根拖线,而另一根未被夹住,对应小车仍向前运动,这都是造成位移误差的原因。3.小车运动停止的位置不能与定滑轮相碰,如果小车碰到定滑轮才松手让夹子夹住拖线,则与定滑轮相碰的小车位移偏小,产生误差。一二三4.平衡摩擦力不准造成误差:如出现图甲中的直线,说明平衡摩擦力时,平衡过大了,即拉力F=0时已产生加速度,其加速度是由多余的重力分力产生的。若出现图甲中的直线,说明平衡摩擦力不够,即拉力为F0时才产生加速度。一二三出现图乙中直线的原因分析如下:平衡摩擦力后,小车在木
9、板上的受力应有F+mgsin-mgcos=ma*,其中F为绳拉力,为木板与水平面的夹角。若平衡摩擦过大,小车在木板上的受力应有F+mgsin-mgcos=ma,当时,式中F作为小量,可略去,将式整理得a=g(sin-cos),说明图乙线为平衡摩擦力过大造成的误差。 5.质量的测量误差,纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误类型一类型二【例题1】为了探究加速度与力、质量的关系,现提供如图所示的实验装置。请回答下列问题:(1)为了消除小车与水平木板之间摩擦力的影响应采取的做法是()A.将不带滑轮的木板一端适当垫高,使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动B.将不带滑轮的木板一端适当垫高,使小车在钩码拉动下恰
10、好做匀加速运动C.将不带滑轮的木板一端适当垫高,在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动D.将不带滑轮的木板一端适当垫高,在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀加速运动类型一类型二(2)某学生在平衡摩擦力时,把水平木板的一端垫得过高,使得倾角偏大。他所得到的a-F关系是下列的哪条图线?图中a是小车的加速度,F是细线作用于小车的拉力。答:。(3)消除小车与水平木板之间摩擦力的影响后,可用钩码总重力代替小车所受的拉力,此时钩码质量m与小车总质量m之间应满足的关系为。类型一类型二(4)如图为某次实验得到的纸带,已知实验所用电源的频率为50Hz。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
11、)类型一类型二解析:(1)平衡摩擦力时,不应将钩码挂上,把不带滑轮的木板一端适当垫高,当小车在木板上恰好做匀速运动时,表明已平衡摩擦力。(2)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。(3)实验中钩码质量m远小于小车总质量m。答案:(1)C(2)C(3)mm(4)3.2类型一类型二题后反思题后反思本实验因原理不完善引起误差。本实验用钩码的总重力mg代替小车的拉力,而实际小车所受的拉
12、力要小于钩码的总重力,钩码的总质量越接近小车的总质量,误差越大,反之钩码的总质量越小于小车的总质量,由此引起的误差就越小。因此满足钩码的总质量m远小于小车的总质量m的目的就是减小因实验原理不完善而引起的误差。此误差可因为mm而减小,但不可能消除此误差。类型一类型二【例题2】为了探究加速度与力的关系,使用如图所示的气垫导轨装置进行实验。其中G1、G2为两个光电门,它们与数字计时器相连,当滑行器通过G1、G2光电门时,光束被遮挡的时间t1、t2都可以被测量并记录。滑行器连同上面固定的一条形挡光片的总质量为m,挡光片宽度为D,光电门间距离为x,牵引砝码的质量为m。回答下列问题:类型一类型二(1)实验开始时应先调节气垫导轨下面的螺钉,使气垫导轨水平,在不增加其他仪器的情况下,如何判定调节是否到位?答:(2)若取m=0.4kg,改变m的值,进行多次实验,以下m的取值不合适的一个是。A.m1=5gB.m2=15gC.m3=40gD.m4=400g(3)在此实验中,需要测得每一次牵引力对应的加速度,其中求得的加速度的表达式为。(用t1、t2、D、x表示)类型一类型二类型一类型二
