2018-2019版物理新同步課堂必修1第4章2實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

....實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系[學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.學(xué)會用控制變量法研究物理規(guī)律 .2.會測量加速度、力和質(zhì)量，1能做出物體運(yùn)動的 a-F、a-m圖象.3.會通過實(shí)驗(yàn)探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系．[知識探究]一、實(shí)驗(yàn)原理和方法1．探究方法 ——控制變量法(1)控制小車的質(zhì)量M不變，討論加速度a與力F的關(guān)系．(2)控制砝碼和小盤的質(zhì)量不變，即力F不變，改變小車的質(zhì)量M，討論加速度a與M的關(guān)系．2．要測量的物理量小車與其上砝碼的總質(zhì)量M——用天平測出．(2)小車受的拉力 F——用天平測出小盤和盤內(nèi)砝碼的總質(zhì)量 m，由F＝mg算出．小車的加速度a——通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶測算出．3．測量加速度的方案應(yīng)用紙帶測加速度在運(yùn)動物體上安裝一條連接打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶， 根據(jù)紙帶上打出的點(diǎn)來測量加速度．前面所述的實(shí)驗(yàn)方案就是利用這種方法求取加速度的．它是根據(jù)在勻變速直線運(yùn)動中，連續(xù)相等的時(shí)間T內(nèi)的位移之差x＝aT_2求出加速度．應(yīng)用勻變速運(yùn)動規(guī)律求加速度如果物體做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動，那么，測量物體加速度最直接的2x辦法就是用刻度尺測量位移并用秒表測量時(shí)間，然后由 a＝T2算出．(3)應(yīng)用加速度與位移成正比2x由于a＝T2，如果測出兩個(gè)初速度為零的勻加速運(yùn)動在相同時(shí)間內(nèi)發(fā)生的位1/14~~....a1 x1移為x1、x2，則位移之比就是加速度之比，即： ＝.a2 x2二、實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、復(fù)寫紙、小車、一端附有定滑輪的長木板、小盤、砝碼、夾子、細(xì)繩、低壓交流電源、導(dǎo)線、天平(帶有一套砝碼)、刻度尺．三、實(shí)驗(yàn)步驟1．用天平測出小車和重物的質(zhì)量分別為 M0、m0，并把數(shù)值記錄下來．2．按圖4-2-1將實(shí)驗(yàn)器材安裝好 (小車上不系繩)．圖4-2-13．平衡摩擦力，在木板無滑輪的一端下面墊一薄木板，反復(fù)移動其位置，直到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后不掛重物的小車在斜面上做勻速直線運(yùn)動為止 (紙帶上相鄰點(diǎn)間距相等 )．4．將重物通過細(xì)繩系在小車上，接通電源放開小車，用紙帶記錄小車的運(yùn)動情況；取下紙帶并在紙帶上標(biāo)上號碼及此時(shí)所掛重物的重力 m0g.5．保持小車的質(zhì)量不變，改變所掛重物的重力，重復(fù)步驟 4，多做幾次實(shí)驗(yàn)，每次小車從同一位置釋放，并記錄好重物的重力m1、2、?以及計(jì)算出gmg相應(yīng)紙帶的加速度填入表格1.表格1物體的質(zhì)量一定，加速度與受力的關(guān)系－2實(shí)驗(yàn)次數(shù)加速度a/(m·s)小車受力F/N123456．保持托盤中所放重物的質(zhì)量不變，在小車上加放砝碼，并測出小車與所放砝碼的總質(zhì)量 M，接通電源，放開小車，用紙帶記錄小車的運(yùn)動情況，取下紙2/14~~....帶并在紙帶上標(biāo)上號碼．7．繼續(xù)在小車上加放砝碼，重復(fù)步驟 6，多做幾次實(shí)驗(yàn)，在每次得到的紙帶上標(biāo)上號碼．8．計(jì)算出每次實(shí)驗(yàn)所得紙帶的加速度值及小車與砝碼的總質(zhì)量填入表格 2.表格2 物體受到的外力一定，加速度與質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)加速度小車與砝碼小車與砝碼總質(zhì)－21－1次數(shù)a/(m·s)總質(zhì)量M/kg量的倒數(shù)M/kg12345四、數(shù)據(jù)處理1．計(jì)算法a1F1之比(等于位移之比)后，通過計(jì)算看看是否滿足＝、a2F2a1＝M2.a2M12．圖象法(1)分析加速度和力的關(guān)系依據(jù)表格1，以加速度a為縱坐標(biāo)，以外力F為橫坐標(biāo)，作出a-F關(guān)系圖象，如圖4-2-2所示，由此得出結(jié)論．圖4-2-2(2)分析加速度和質(zhì)量的關(guān)系1依據(jù)表格2，以加速度a為縱坐標(biāo)，以小車及砝碼的總質(zhì)量 M或M為橫坐標(biāo)1作出a-M或a-M關(guān)系圖象，如圖 4-2-3所示，據(jù)圖象可以得出結(jié)論．3/14~~....圖4-2-3實(shí)驗(yàn)結(jié)論：物體的加速度與作用在物體上的合外力成正比，與物體的質(zhì)量成反比．五、誤差分析產(chǎn)生原因減小方法質(zhì)量測量不準(zhǔn)、計(jì)數(shù)點(diǎn)間距多次測量求平均值測量不準(zhǔn)偶然小車所受拉力測量不準(zhǔn)①準(zhǔn)確平衡摩擦力誤差②使細(xì)繩和紙帶平行于木板使盡可能多的點(diǎn)落在直線上或均勻分布作圖不準(zhǔn)在直線兩側(cè)，誤差較大的點(diǎn)舍去系統(tǒng)小盤及重物的總重力代替使小盤和重物的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)誤差小車所受的拉力量六、注意事項(xiàng)1．平衡摩擦力時(shí)不要掛重物，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤和重物的質(zhì)量還是改變小車及砝碼的質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力．2．實(shí)驗(yàn)中必須滿足小車和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤和重物的總質(zhì)量．只有如此，重物和小盤的總重力才可視為與小車受到的拉力相等．3．小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器且先接通電源再放手．4．作圖象時(shí)，要使盡可能多的點(diǎn)在所作直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)．離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，舍去不予考慮．[典例剖析]用如圖4-2-4所示的裝置研究在作用力 F一定時(shí)，小車的加速度 a與小車質(zhì)量M的關(guān)系，某位同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下：4/14~~....圖4-2-4．用天平稱出小車和小桶及內(nèi)部所裝砂子的質(zhì)量；B．按圖裝好實(shí)驗(yàn)器材；C．把輕繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛砂桶；D．將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在 6V電壓的蓄電池上，接通電源，放開小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，并在紙帶上標(biāo)明小車的質(zhì)量；E．保持小桶及其中砂子的質(zhì)量不變，增加小車上的砝碼個(gè)數(shù)，并記錄每次增加后的M值，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)；F．分析每條紙帶，測量并計(jì)算出加速度的值；G．作a-M關(guān)系圖象，并由圖象確定 a-M關(guān)系．(1)該同學(xué)漏掉的重要實(shí)驗(yàn)步驟是 ________，該步驟應(yīng)排在 ________步驟之后．(2)在上述步驟中，有錯(cuò)誤的是 ________，應(yīng)把________改為____________．在上述步驟中，處理不恰當(dāng)?shù)氖莀_________，應(yīng)把________改為________.【導(dǎo)學(xué)號：84082134】【解析】 本題主要考查對實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)步驟的理解和分析， 實(shí)驗(yàn)中把小桶及其中砂子的重力看做與小車所受拉力大小相等， 沒有考慮摩擦力， 故必須平衡摩擦力．電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在 6V電壓的蓄電池上將無法工作，必須接在 6V以下學(xué)生交流電源上．作 a-M關(guān)系圖象，得到的是雙曲線，很難作出正確的判1斷，必須“化曲為直”，改作a-M關(guān)系圖象．【答案】 (1)平衡摩擦力 B(2)步驟D 6V電壓的蓄電池 6V以下交流學(xué)生電源1(3)步驟G a-Ma-M5/14~~....某組同學(xué)設(shè)計(jì)了“探究加速度 a與物體所受合力 F及質(zhì)量m的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)．如圖4-2-5所示為實(shí)驗(yàn)裝置簡圖， A為小車，B為電火花計(jì)時(shí)器， C為裝有細(xì)砂的小桶， D為一端帶有定滑輪的長方形木板， 實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為細(xì)繩對小車的拉力 F等于細(xì)砂和小桶的總重量， 小車運(yùn)動的加速度 a可用紙帶上打出的點(diǎn)求得．圖4-2-5(1)如圖4-2-6所示為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶， 已知實(shí)驗(yàn)所用電源的頻率為 50Hz.根據(jù)紙帶可求出電火花計(jì)時(shí)器打 B點(diǎn)時(shí)的速度大小為 ________m/s，小車的加速度大小為________m/s2.(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字 )圖4-2-6在“探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系”時(shí)，某同學(xué)按照自己的方案將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中進(jìn)行了標(biāo)注，但尚未完成圖象 (如圖4-2-7所示)．請繼續(xù)幫助該同學(xué)作出坐標(biāo)系中的圖象．圖4-2-7【解析】 (1)AC這段位移的平均速度等于 AC這段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速2xAB＋xBC 6.19＋6.70×10－度，即B點(diǎn)的瞬時(shí)速度，故 vB＝ 4T ＝ × m/s≈1.6m/s.由逐4 0.02差法求解小車的加速度a＝xCD＋xDE－xAB＋xBC42T26/14~~....7.21＋7.72－6.19－6.70×10－22≈3.2m/s2＝4×2×0.022m/s.將坐標(biāo)系中各點(diǎn)連成一條直線，連接時(shí)應(yīng)使直線過盡可能多的點(diǎn)，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)大致對稱地分布在直線的兩側(cè)，離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，不予考慮，連線如圖所示．【答案】 (1)1.6 3.2 (2)見解析圖1a-F、a-M圖線的可能情形及對應(yīng)原因1(1)若平衡摩擦力時(shí)，木板墊起的傾角過小，則 a-F，a-M圖象如圖(甲)、(乙)①②所示．1若平衡摩擦力時(shí)，木板墊起的傾角過大，則(乙)③④所示．(甲)

a-F，a-M圖象如圖(甲)、(乙)1(3)若實(shí)驗(yàn)中沒有滿足 M遠(yuǎn)大于m，則a-F，a-M圖象如圖(丙)、(丁)所示．(丙) (丁)7/14~~....[當(dāng)堂達(dá)標(biāo)·固雙基]1．關(guān)于探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，下列說法中符合實(shí)際的是 ( )．通過同時(shí)改變小車的質(zhì)量和小車受到的拉力，歸納出加速度、力、質(zhì)量三者之間的關(guān)系B．通過保持小車的質(zhì)量不變，只改變小車的拉力，就可以歸納出加速度、力、質(zhì)量三者之間的關(guān)系C．通過保持小車的拉力不變，只改變小車的質(zhì)量，就可以歸納出加速度、力、質(zhì)量三者之間的關(guān)系D．先保持小車的質(zhì)量不變，研究加速度與力的關(guān)系；再保持小車的拉力不變，研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，最后歸納出加速度、力、質(zhì)量三者之間的關(guān)系D [由于實(shí)驗(yàn)中有三個(gè)變量， 在探究過程中采用控制變量法． 先通過保持小車的質(zhì)量不變，只改變小車的拉力，可以歸納出加速度、力二者之間的關(guān)系，再通過保持小車的拉力不變，只改變小車的質(zhì)量，可以得出加速度、 質(zhì)量二者之間的關(guān)系，所以 D項(xiàng)正確．]2．在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，探究加速度 a與質(zhì)量M的關(guān)系時(shí)，沒有注意始終滿足 M遠(yuǎn)大于m的條件(m為鉤碼和盤的質(zhì)量 )，結(jié)果得到的圖象應(yīng)是圖中的 ( )A BC D[在研究加速度跟小車質(zhì)量M的關(guān)系時(shí)，保持m不變，改變小車質(zhì)量M，在小車質(zhì)量 M遠(yuǎn)大于重物質(zhì)量 m時(shí)，可以認(rèn)為小車受到的拉力 F＝mg，此時(shí)加8/14~~....1 1 1速度a與小車質(zhì)量 M成反比，與M成正比，以M為橫軸，a為縱軸，則 a-M圖象應(yīng)是過原點(diǎn)的直線， 當(dāng)減少小車中的砝碼， 質(zhì)量M不滿足遠(yuǎn)大于重物質(zhì)量 m時(shí)，1小車受到的拉力明顯小于重物重力， 其加速度縮小， a-M圖象向下彎曲， 選項(xiàng) A、B、C錯(cuò)誤，D正確．]3．在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系活動中，某小組設(shè)計(jì)了如圖 4-2-8所示的實(shí)驗(yàn)裝置．圖中上下兩層水平軌道表面光滑， 兩小車前端系上細(xì)線， 細(xì)線跨過滑輪并掛上砝碼盤， 兩小車尾部細(xì)線連到控制裝置上， 實(shí)驗(yàn)時(shí)通過控制裝置使兩小車同時(shí)開始運(yùn)動，然后同時(shí)停止．圖4-2-8(1)在安裝實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，應(yīng)調(diào)整滑輪的高度，使 ________；在實(shí)驗(yàn)時(shí)，為減小系統(tǒng)誤差，應(yīng)使砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量 ________(選填“遠(yuǎn)大于”、 “遠(yuǎn)小于”或“等于”)小車的質(zhì)量．本實(shí)驗(yàn)通過比較兩小車的位移來比較小車加速度的大小，能這樣比較，是因?yàn)?．【解析】 (1)拉小車的細(xì)線要與軌道平行．只有在砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量時(shí)，才能認(rèn)為砝碼盤和砝碼的總重力等于細(xì)線拉小車的力． (2)12 a x1 1對初速度為零的勻加速直線運(yùn)動，運(yùn)動時(shí)間相同時(shí)，根據(jù) x＝2at，得a2＝x2，所以能用位移來比較加速度大?。敬鸢浮?1)細(xì)線與軌道平行(或水平)遠(yuǎn)小于(2)兩小車從靜止開始做勻加速直線運(yùn)動，且兩小車的運(yùn)動時(shí)間相等4．用如圖 4-2-9所示的裝置，在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中：9/14~~....圖4-2-9(1)某同學(xué)在接通電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，將實(shí)驗(yàn)器材組裝如圖 4-2-9所示，請你指出該裝置中錯(cuò)誤或不妥之處為 _____________________________________________________________________________________________.(2)改正實(shí)驗(yàn)裝置后，該同學(xué)順利地完成了實(shí)驗(yàn)．圖 4-2-10是他在實(shí)驗(yàn)中得到的一條紙帶，圖中相鄰的兩計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為 0.1s，由圖中的數(shù)據(jù)可算出小車的加速度 a為________m/s2.【導(dǎo)學(xué)號：84082135】圖4-2-10【解析】 (1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器需要 6V以下的交流電源才能正常工作， 不能使用干電池；為保證細(xì)繩對小車的拉力作為小車所受的合外力， 實(shí)驗(yàn)前必須平衡摩擦力，該裝置沒有平衡摩擦力； 為了在紙帶上打下較多的點(diǎn)， 小車的初始位置應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器．加速度可用逐差法求出x后兩段－x前兩段a＝ 4T22－[4.04－1.63－1.63]×10

m＝24×0.1s20.195m/s.【答案】 (1)不應(yīng)使用干電池，應(yīng)使用交流電源；實(shí)驗(yàn)中沒有平衡小車的10/14~~....摩擦力；小車的初始位置應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器(2)0.195(1)在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，以下操作正確的是 ( )．平衡摩擦力時(shí)，應(yīng)將重物用細(xì)線通過定滑輪系在小車上B．平衡摩擦力時(shí)，應(yīng)將紙帶連接在小車上并穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器C．每次改變小車的質(zhì)量時(shí)，不需要重新平衡摩擦力D．實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先放開小車，后接通電源表中是該實(shí)驗(yàn)所記錄的部分?jǐn)?shù)據(jù)．－組別小車質(zhì)量m/kg受力F/N加速度a/(m·s2)10.50.2520.5031.0041.051.5若利用1、2、3三組數(shù)據(jù)探究加速度與受力的關(guān)系，則2、3組數(shù)據(jù)中物體的質(zhì)量分別為________、________；若利用3、4、5三組數(shù)據(jù)探究加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系，則 4、5組數(shù)據(jù)中物體所受的力分別為 ________、________.【解析】 (1)平衡摩擦力時(shí)，是使小車所受重力沿斜面向下的分力與小車向前運(yùn)動過程中受到的阻力相等，故應(yīng)將紙帶連接在小車上并穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，但不需要將重物用細(xì)線通過定滑輪系在小車上，所以 B對，A錯(cuò)；每次改變小車的質(zhì)量時(shí)，不需要重新平衡摩擦力， C對；實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先接通電源，后放開小車，D錯(cuò)．若用1、2、3三組數(shù)據(jù)探究加速度與受力的關(guān)系，需保持小車的質(zhì)量一定，即1、2、3三組數(shù)據(jù)中小車質(zhì)量相等，都為 0.5kg；若利用3、4、5三組數(shù)據(jù)探究加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系， 需保持 3、4、5三組數(shù)據(jù)中小車受到的 F相等，都為1.00N.11/14~~....【答案】 (1)BC(2)0.5kg 0.5kg 1.00N 1.00N5．某物理課外小組利用圖 4-2-11中的裝置探究物體加速度與其所受合外力之間的關(guān)系．圖中，置于實(shí)驗(yàn)臺上的長木板水平放置，其右端固定一輕滑輪；輕繩跨過滑輪，一端與放在木板上的小滑車相連，另一端可懸掛鉤碼．本實(shí)驗(yàn)中可用的鉤碼共有N＝5個(gè)，每個(gè)質(zhì)量均為0.010kg.實(shí)驗(yàn)步驟如下：圖4-2-11將5個(gè)鉤碼全部放入小車中，在長木板左下方墊上適當(dāng)厚度的小物塊，使小車(和鉤碼)可以在木板上勻速下滑．(2)將n(依次取n＝1,2,3,4,5)個(gè)鉤碼掛在輕繩右端，其余 N－n個(gè)鉤碼仍留在小車內(nèi)；用手按住小車并使輕繩與木板平行．釋放小車，同時(shí)用傳感器記錄小車在時(shí)刻t相對于其起始位置的位移s，繪制s-t圖象，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到