新人教版高中物理必修第一冊2 4.2實驗 探究加速度與力、質(zhì)量的關系

2.實驗:探究加速度與力、質(zhì)量的關系第四章運動和力的關系

【實驗目的】1.探究加速度與力、質(zhì)量的關系。2.學會用___________探究物理規(guī)律?？刂谱兞糠ā緦嶒炂鞑摹繋Щ喌哪景?、薄墊塊、小車、細繩、重物(小槽碼或沙桶)、___________、紙帶、_________、天平、砝碼、刻度尺。打點計時器交流電源

【實驗原理與設計】1.實驗的基本思想——控制變量法:(1)變量的控制要求:在物理實驗中,要注意控制實驗過程中的不同變量。(2)設計思路:①若討論加速度與物體受力的關系,應控制_____不變。②若討論加速度與物體質(zhì)量的關系,應控制_____不變。質(zhì)量受力(3)實驗思想的拓展:這種控制一些物理量不變,先分別研究待測量與其中一個物理量的關系,再綜合解決問題的控制變量法,被廣泛應用于科學探究中。2.實驗原理:(1)保持小車質(zhì)量m不變通過_________的方式改變作用于小車的力F,測出小車相應的加速度a,則可得a與F的關系。增減重物(2)保持拉力F不變通過_________________的方式改變小車的質(zhì)量m,測出相應的加速度a,則可得a與m的關系。在小車上增減砝碼3.實驗設計——三個物理量的測量方法:(1)拉力的測量。①平衡小車所受阻力a.將木板一端墊高;b.使小車不掛重物時能_________;c.此時小車重力沿斜面的分力恰好抵消其所受__________________。勻速運動摩擦力及其他阻力②使小車所受拉力等于重物的重力只有_____________________________時,才可以近似認為重物的重力等于對小車的拉力。所掛重物的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量(2)研究對象質(zhì)量的測量。①利用天平測出____________________________;②研究對象的質(zhì)量等于________________________。小車的質(zhì)量m和重物的質(zhì)量m0小車質(zhì)量m與砝碼質(zhì)量之和(3)加速度的測量。①原理:放在長木板上的小車在拉力的作用下做勻加速直線運動,即Δx=___。②應用刻度尺測量_________________。③應用_______計算對應的加速度大小。aT2計數(shù)點之間的距離逐差法

【實驗過程】一、實驗步驟1.安裝實驗器材:將小車置于帶有定滑輪的木板上,將紙帶穿過打點計時器后掛在小車尾部。2.平衡摩擦力:用薄墊塊將一端墊高,調(diào)整其傾斜程度,直到小車運動時打點計時器在紙帶上打出的點分布均勻為止。3.懸掛重物:在細線一端掛上重物,另一端通過定滑輪系在小車前端。4.收集紙帶數(shù)據(jù):將小車靠近打點計時器后開啟打點計時器,并讓小車由靜止釋放,打點計時器在紙帶上打出一系列點,據(jù)此計算出小車的加速度。5.改變小車受力:(1)保持小車的質(zhì)量不變,通過增加槽碼的數(shù)量,增加重物的質(zhì)量(總質(zhì)量仍遠小于小車質(zhì)量)。接通電源后放開小車,用紙帶記錄小車的運動情況。取下紙帶。并在紙帶上標上號碼及所掛槽碼的總重力m1g。(2)重復步驟4,多做幾次實驗,并記錄好相應紙帶的編號及所掛槽碼的總重力m2g、m3g…5.改變小車受力:(1)保持小車的質(zhì)量不變,通過增加槽碼的數(shù)量,增加重物的質(zhì)量(總質(zhì)量仍遠小于小車質(zhì)量)。接通電源后放開小車,用紙帶記錄小車的運動情況。取下紙帶。并在紙帶上標上號碼及所掛槽碼的總重力m1g。(2)重復步驟4,多做幾次實驗,并記錄好相應紙帶的編號及所掛槽碼的總重力m2g、m3g…6.改變小車質(zhì)量:(1)保持重物(小車所受的拉力)不變,通過增加或減少小車上的砝碼的方式,改變小車的質(zhì)量,接通電源后放開小車,用紙帶記錄小車的運動情況。取下紙帶,并在紙帶上標上號碼及小車和砝碼的總質(zhì)量M1。(2)繼續(xù)在小車上增加砝碼,重復步驟6,多做幾次實驗,在每次實驗得到的紙帶上標上號碼及小車和砝碼的總質(zhì)量M2、M3…7.求加速度:用公式Δx=aT2,求得小車的加速度a,將得到的數(shù)據(jù)填入相應表格中,以便進行數(shù)據(jù)處理?！舅伎肌?1)實驗過程中應注意哪幾方面的操作安全問題?提示:①使用打點計時器時,應注意用電安全。②注意避免小車、砝碼及重物等下落,以免損壞器材或砸傷身體。

(2)如何判斷是否已經(jīng)平衡摩擦力? 提示:輕輕推動小車,使小車運動,當打點計時器在小車所連接的紙帶上打出的點跡均勻時,說明已經(jīng)平衡摩擦力。二、數(shù)據(jù)收集與分析1.列F、a數(shù)據(jù)收集表:把小車在不同力作用下產(chǎn)生的加速度填在表中:物理量123456作用力(槽碼的重力)加速度a2.作a-F圖像的方法:以a為縱坐標、F為橫坐標,根據(jù)數(shù)據(jù)作a-F

圖像,用曲線擬合測量點,找出規(guī)律,分析a與F的關系。2.作a-F圖像的方法:以a為縱坐標、F為橫坐標,根據(jù)數(shù)據(jù)作a-F

圖像,用曲線擬合測量點,找出規(guī)律,分析a與F的關系。3.列M、a收集表格:把不同質(zhì)量的小車(小車和砝碼)在相同力的作用下產(chǎn)生的加速度填在表中:物理量123456小車和砝碼質(zhì)量M

加速度a4.作a-

圖像的方法:分別以a為縱坐標、M和

為橫坐標,根據(jù)數(shù)據(jù)作a-M圖像和a-

圖像,分析a與M的關系。5.實驗結論:(1)對同一物體,當M不變時,物體的加速度a與所受力F成正比。(2)對不同物體,當F不變時,物體的加速度a與質(zhì)量M成反比。

【思考】為什么在研究加速度與質(zhì)量的關系時,不作a-M圖像,而是作a-

圖像? 提示:因為a-M圖像的圖線不是線性關系,轉(zhuǎn)化為a-圖像后,轉(zhuǎn)化為線性關系,使物理量之間的關系更直觀。

【誤差分析】1.實驗原理不完善造成系統(tǒng)誤差:(1)產(chǎn)生原因:實驗中用槽碼的重力代替小車受到的拉力(實際上小車受到的拉力要小于槽碼的重力),存在系統(tǒng)誤差。(2)槽碼質(zhì)量對誤差大小的影響:①定量分析:設小車的質(zhì)量為M,槽碼的質(zhì)量為m,當二者一起運動時加速度為a,以小車和槽碼作為一個整體為研究對象,依據(jù)實驗結論可得mg=(M+m)a以小車為研究對象,設其受的拉力為T,則T=Ma聯(lián)立得T=

·mg只有當m?M時,T≈mg(說明:此內(nèi)容可結合下一節(jié)內(nèi)容學習)

②定性分析:槽碼的質(zhì)量越接近小車的質(zhì)量,誤差就越大;反之,槽碼的質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量,誤差就越小。2.測量、操作不夠準確造成偶然誤差:(1)質(zhì)量的測量帶來誤差。(2)紙帶上打點計時器打點間隔距離的測量誤差。(3)拉線或紙帶不與木板平行造成誤差。(4)平衡摩擦力不夠(或過度)造成的誤差,該誤差使作出的圖線在橫軸(或縱軸)上產(chǎn)生截距?！舅伎肌空垙母倪M實驗器材的角度,討論改進測量小車所受拉力的方法,減小實驗的系統(tǒng)誤差。提示:為了減小由于小車所受拉力而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差,可將力傳感器和位移傳感器的發(fā)射器裝在運動的小車上,將接收器裝在小車運動軌道的末端,并通過數(shù)據(jù)采集器輸入計算機,就可以測出小車所受的拉力。類型一實驗操作例1在做“驗證牛頓第二定律”的實驗時(裝置如圖所示):典例精析(1)下列說法中正確的是__________。

A.平衡運動系統(tǒng)的摩擦力時,應把裝沙的小桶通過定滑輪拴在小車上B.連接沙桶和小車的輕繩應和長木板保持平行C.平衡摩擦力后,長木板的位置不能移動D.小車應靠近打點計時器,且應先接通電源再釋放小車(2)研究在作用力F一定時,小車的加速度a與小車質(zhì)量M的關系,某位同學設計的實驗步驟如下:A.用天平稱出小車和小桶及內(nèi)部所裝沙子的質(zhì)量。B.按圖裝好實驗器材。C.把輕繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛沙桶。D.將電磁打點計時器接在6V電壓的蓄電池上,接通電源,放開小車,打點計時器在紙帶上打下一系列點,并在紙帶上標明小車質(zhì)量。E.保持小桶及其中沙子的質(zhì)量不變,增加小車上的砝碼個數(shù),并記錄每次增加后的M值,重復上述實驗。F.分析每條紙帶,測量并計算出加速度的值。G.作a-M關系圖像,并由圖像確定a、M關系。

①該同學漏掉的重要實驗步驟是__________,該步驟應排在____________步實驗之后。

②在上述步驟中,有錯誤的是________________,應把__________改為__________。

③在上述步驟中,處理不恰當?shù)氖莀___________,應把__________改為__________。

【解析】(1)平衡摩擦力時,應將繩從小車上拿去,輕輕推動小車,使小車沿木板運動,通過打點計時器打出來的紙帶判斷小車是否勻速運動,A錯誤;若連接沙桶和小車的細繩與長木板不保持平行,則繩子的拉力分力等于小車的外力,這樣導致誤差增大,B正確;每次改變小車的質(zhì)量時,小車的重力沿斜面分力和摩擦力仍能抵消,不需要重新平衡摩擦力,故長木板的位置不能移動,以防摩擦力不再平衡,C正確;實驗時,若先放開小車再接通打點計時器電源,由于小車運動較快,可能會使打出來的點很少,不利于數(shù)據(jù)的采集和處理,應先接通電源待打點計時器工作穩(wěn)定后再釋放小車;同時要求開始小車要靠近打點計時器,故D正確。(2)①漏掉的重要實驗步驟是平衡摩擦力,該步驟應排在B步實驗之后。②電磁打點計時器使用的是4～6V的低壓交流電源,故步驟D中不能使用蓄電池而應該使用4～6V的低壓交流學生電源。③由牛頓第二定律可知物體的加速度a與物體的質(zhì)量M成反比,所以a-M圖像是曲線,而僅僅根據(jù)曲線很難判定加速度a與物體的質(zhì)量M到底是什么關系,但a-是正比例關系,而正比例關系圖像是一條過坐標原點的直線,所以應作a-圖像,處理不當?shù)氖遣襟EG。答案:(1)B、C、D

(2)①平衡摩擦力B②D

6V電壓的蓄電池4～6V的低壓交流電源③G

a-M

a-類型二數(shù)據(jù)處理例2某組同學設計了“探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量m的關系”實驗。典例精析如圖甲為實驗裝置簡圖,A為小車,B為電火花計時器,C為裝有細砂的小桶,D為一端帶有定滑輪的長方形木板,實驗中認為細繩對小車拉力F等于細砂和小桶的總重力,小車運動的加速度a可用紙帶上打出的點求得。(1)某次實驗時,測得小車和小車上的砝碼總質(zhì)量為800g,則細砂和小桶的總質(zhì)量較為合理的是_______A.50g

B.500g

C.5kg

D.50kg(2)如圖乙為某次實驗得到的紙帶,已知實驗所用電源的頻率為50Hz。根據(jù)紙帶可求出電火花計時器打B點時的速度為__________m/s,小車的加速度大小為__________m/s2。(結果均保留兩位小數(shù))

(3)在“探究加速度a與質(zhì)量m的關系”時,某同學按照自己的方案將實驗數(shù)據(jù)都在坐標系中進行了標注,但尚未完成圖像(如圖丙所示)。請繼續(xù)幫助該同學作出坐標系中的圖像。(4)在“探究加速度a與合力F的關系”時,該同學根據(jù)實驗數(shù)據(jù)作出了加速度a與合力F的圖線如圖丁所示,圖線不通過坐標原點的原因是__________________。

【解析】(1)為了使細繩對小車拉力F等于細砂和小桶的總重力,則需要滿足小車和小車上的砝碼總質(zhì)量遠遠大于細砂和小桶的總質(zhì)量,若小車和小車上的砝碼總質(zhì)量為800g,則細砂和小桶的總質(zhì)量較為合理的是50g,故A正確,B、C、D錯誤。(2)AC這段位移的平均速度等于AC這段時間中間時刻的瞬時速度,即B點的瞬時速度,故vB==1.63m/s。由逐差法求解小車的加速度,a==1.72m/s2。

(3)根據(jù)描點法作出圖像,如圖所示(4)圖線不通過坐標原點,F不為零時,加速度仍為零,知實驗前沒有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不夠。答案:(1)A

(2)1.63

1.72

(3)如右圖(4)沒有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不夠

分析紙帶—圖像類問題的思路(1)瞬時速度的求法:根據(jù)中間時刻的瞬時速度等于這段位移的平均速度,求解某點的瞬時速度。(2)加速度的求法:根據(jù)逐差法即Δx=aT2,求解小車的加速度。(3)圖像的畫法:作圖像時,要使盡可能多的點在所作直線上,不在直線上的點盡可能對稱分布在所作直線兩側,個別偏離較遠的點舍去。歸納總結類型三實驗創(chuàng)新例3如圖所示,請利用力傳感器和位移傳感器,設計實驗方案探究加速度a與作用力F、m之間的關系。(儀器不足的可補充)1.實驗創(chuàng)新思路:(1)改進拉力的測量方法。(2)改進加速度的測量方法。典例精析2.實驗步驟:(1)用天平測量___________。(2)在軌道上放置小車并安裝_______,連接電路。(3)將細線連接_____,跨過定滑輪系住_____。(4)釋放小車,拉力大小由_________顯示,加速度的大小由顯示屏上小車的_________測出。小車的質(zhì)量傳感器小車槽碼力傳感器速度圖像(5)記錄拉力T和加速度a的數(shù)據(jù)。(6)改變小車和_________的質(zhì)量,測多組a、m和F的數(shù)據(jù)。(7)分析實驗數(shù)據(jù),歸納得出結論。懸掛槽碼3.誤差分析:(1)軌道要求:軌道應傾斜,直到_________________。(2)槽碼的質(zhì)量要求:為了操作安全,槽碼的質(zhì)量應小些。平衡摩擦力及阻力【創(chuàng)新評價】創(chuàng)新角度創(chuàng)新方案加速度求解方法創(chuàng)新利用位移傳感器,記錄小車速度,用v-t圖像求加速度拉力測量手段的創(chuàng)新將用槽碼重力近似代替小車拉力,改進為力傳感器直接顯示拉力數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)新將坐標紙作圖,改進為通過數(shù)據(jù)采集器輸入計算機,顯示屏直接顯示(5)記錄拉力T和加速度a的數(shù)據(jù)。(6)改變小車和_________的質(zhì)量,測多組a、m和F的數(shù)據(jù)。(7)分析實驗數(shù)據(jù),歸納得出結論。懸掛槽碼