實驗探究加速度與力質(zhì)量的關(guān)系新教材人教高中物理必修第一

4.2實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

速度是描述物體運動狀態(tài)的物理量，加速度是描述速度變化快慢的物理量。因此也可以說，加速度是描述物體運動狀態(tài)變化快慢的物理量。由前面的學習我們知道，力是改變物體運動狀態(tài)的原因，質(zhì)量大的物體運動狀態(tài)不容易改變。這說明，加速度與力、質(zhì)量之間必然存在一定的關(guān)系。下面我們來探究加速度與力、質(zhì)量之間的定量關(guān)系。本節(jié)實驗分別從“加速度與力的關(guān)系”和“加速度與質(zhì)量的關(guān)系”兩方面進行研究。

將小車置于水平木板上，通過滑輪與槽碼相連。小車可以在槽碼的牽引下運動（圖4.2-1）。加速度與力的關(guān)系保持小車質(zhì)量不變，通過改變槽碼的個數(shù)改變小車所受的拉力。小車所受的拉力可認為與槽碼所受的重力相等。測得不同拉力下小車運動的加速度，分析加速度與拉力的變化情況，找出二者之間的定量關(guān)系.加速度與質(zhì)量的關(guān)系保持小車所受的拉力不變，通過在小車上增加重物改變小車的質(zhì)量。測得不同質(zhì)量的小車在這個拉力下運動的加速度，分析加速度與質(zhì)量的變化情況，找出二者之間的定量關(guān)系。一、實驗思路二、物理量的測量本實驗需要測量的物理量有三個：物體的質(zhì)量、物體所受的作用力和物體運動的加速度。質(zhì)量的測量可以用天平測量質(zhì)量。為了改變小車的質(zhì)量，可以在小車中增減砝碼的數(shù)量。加速度的測量方法1:小車做初速度為0的勻加速直線運動，則測量小車加速度最直接的辦法就是用刻度尺測量小車移動的位移x，并用秒表測量發(fā)生這段位移所用的時間t，然后由a＝（1）計算出加速度a。方法2:將打點計時器的紙帶連在小車上，根據(jù)紙帶上打出的點來測量加速度（參考第一章的實驗方法）。方法3:在這個實驗中也可以不測量加速度的具體數(shù)值。這是因為我們探究的是加速度與其他物理量之間的比例關(guān)系，因此測量不同情況下物體加速度的比值即可。如果能做到讓兩個做初速度為0的勻加速直線運動的物體的運動時間t相等，那么由（1）式可知，它們的位移之比就等于加速度之比，即:

（2）這樣，測量加速度就轉(zhuǎn)換成測量位移了力的測量現(xiàn)實中，僅受一個力作用的物體幾乎不存在。然而，一個單獨的力的作用效果與跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的。因此，實驗中作用力F的含義可以是物體所受的合力。如何為運動的物體提供一個恒定的合力，如何測出這個合力是本實驗的關(guān)鍵，有很多可行的方法。（一）通過位移之比測量加速度之比

將兩輛相同的小車放在水平木板上，前端各系一條細線，線的另一端跨過定滑輪各掛一個小盤，盤中可以放不同的重物。把木板一端墊高，參考案例1的方法補償阻力的影響。兩小車后端各系一條細線，用一個物體，例如黑板擦，把兩條細線同時按壓在木板上（圖4.2-3）。抬起黑板擦，兩小車同時開始運動，按下黑板擦，兩小車同時停下來。用刻度尺測出兩小車移動的位移x1、x2。由于兩小車運動時間t相同，從它們的位移之比就可以得出加速度之比。在盤中重物相同的情況下，通過增減小車中的重物改變小車的質(zhì)量。（二）用阻力補償法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

實驗裝置如圖4.2-2所示。把木板的一側(cè)墊高，以補償打點計時器對小車的阻力及其他阻力。調(diào)節(jié)木板的傾斜度，使小車在不受牽引時能拖動紙帶沿木板勻速運動。將槽碼、小車、打點計時器、紙帶安裝好。通過改變槽碼的個數(shù)可以成倍地改變小車所受的拉力，與此相對應(yīng)，處理紙帶上打出的點來測量加速度。進行實驗一、實驗原理二、實驗步驟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．按圖所示將實驗器材安裝好(小車上不系繩)。3．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，直到打點計時器正常工作后不掛重物的小車在斜面上做勻速直線運動為止(紙帶上相鄰點間距相等)。4．將重物通過細繩系在小車上，接通電源放開小車，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此時所掛重物的重力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，多做幾次實驗，每次小車從同一位置釋放，并記錄好重物的重力，m1g、m2g、…，以及計算出相應(yīng)紙帶的加速度填入表格1。6.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動情況，取下紙帶并在紙帶上標上號碼。7．繼續(xù)在小車上加放砝碼，重復(fù)步驟6，多做幾次實驗，在每次得到的紙帶上標上號碼。8．計算出每次實驗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。①安裝測量頭，調(diào)節(jié)至可清晰觀察到干涉條紋．4．注意事項hν：光電子的能量．(2)m1v1＋m2v2＝m1v′1＋m2v′2，相互作用的兩個物體組成的系統(tǒng)，作用前的動量和等于作用后的動量和．課時安排若人船系統(tǒng)在全過程中動量守恒，則這一系統(tǒng)在全過程中的平均動量也守恒．如果系統(tǒng)由兩個物體組成，且相互作用前均靜止，相互作用后均發(fā)生運動，則由m1v1＝－m2v2得m1x1＝－m2x2.該式的適用條件是：(3)比較代號為_____________的三個圖，可以說明猜想C是否正確。眼睛和眼鏡③普朗克常量：h＝ke(k為斜率，e為電子電量)1．動量定理不僅適用于恒定的力，也適用于隨時間變化的力．這種情況下，動量定理中的力F應(yīng)理解為變力在作用時間內(nèi)的平均值．1、“連通器”是液體壓強知識的應(yīng)用。在進行這一環(huán)節(jié)時，我首先出示一個連通器，讓學生猜想往里面裝水后，水面最后會怎樣？然后讓一名學生上臺操作去驗證自己的猜想；通過演示得出連通器的概念及特點。14．(8分)如圖所示，一火箭以a＝g2的加速度豎直升空．為了監(jiān)測火箭到達的高度，可以觀察火箭上搭載物視重的變化．如果火箭上搭載的一只小狗的質(zhì)量為m＝1.6kg，當檢測儀器顯示小狗的視重為F＝9N時，火箭距離地面的高度是地球半徑的多少倍？(g取10m/s2)學情分析：三、數(shù)據(jù)處理（一）加速度與力的關(guān)系

依據(jù)表格，以加速度a為縱坐標，以外力F為橫坐標，作出a－F關(guān)系圖象，如圖所示，由此得出結(jié)論：質(zhì)量不變時，加速度與力成正比。（二）加速度與質(zhì)量的關(guān)系誤差分析1．系統(tǒng)誤差本實驗用槽碼的重力mg代替小車的拉力，而實際上小車所受的拉力要小于槽碼的重力。槽碼的質(zhì)量越接近于小車的質(zhì)量，誤差越大；反之，槽碼的質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量，由此引起的誤差就越小。因此，滿足槽碼的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量的目的就是為了減小因?qū)嶒炘聿煌晟贫鸬恼`差。2．偶然誤差摩擦力平衡不準確、質(zhì)量測量不準確、計數(shù)點間距測量不準確、紙帶和細繩不嚴格與木板平行都會引起誤差。A線不通過坐標原點的原因是：未平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠；B線不通過坐標原點的原因是：平衡摩擦力過度。C線發(fā)生彎曲的原因是：沒有滿足重物的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量這一條件_注意事項1．打點前小車應(yīng)靠近打點計時器且應(yīng)先接通電源后釋放小車。2．在平衡摩擦力時，不需要懸掛槽碼，但小車應(yīng)連接紙帶且接通電源。用手輕輕地給小車一個初速度，如果在紙帶上打出的點的間隔均勻，表明小車受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡。3．改變懸掛槽碼的個數(shù)的過程中，要始終保證槽碼的總質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量。4．作圖時應(yīng)使所作的直線通過盡可能多的點，不在直線上的點也要盡可能的對稱分布在直線的兩側(cè)，但若遇到個別偏離較遠的點可舍去。例1:在探究物體的加速度a與物體所受外力F、物體質(zhì)量M間的關(guān)系時，采用如圖實所示的實驗裝置。小車及車中的砝碼質(zhì)量用M表示，盤及盤中砝碼質(zhì)量用m表示。(1)當M與m的大小關(guān)系滿足________時，才可以認為繩子對小車的拉力大小等于盤和砝碼的重力。(2)某一組同學先保持盤及盤中的砝碼質(zhì)量m一定來做實驗，其具體操作步驟如下，以下做法正確的是________。(3)另兩組同學保持小車及車中的砝碼質(zhì)量M一定，探究加速度a與所受外力F的關(guān)系，由于他們操作不當，這兩組同學得到的a－F關(guān)系圖像分別如圖甲、乙所示，其原因分別是：甲圖：____________________________________；乙圖：____________________________________。1、在如圖所示的“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗中，下列說法錯誤的(

)A．應(yīng)盡量保證小車的質(zhì)量遠小于槽碼的質(zhì)量B．應(yīng)將木板右端適當墊高以平衡摩擦力C．應(yīng)保證牽引小車的細線與木板平行D．應(yīng)采用控制變量法分別研究加速度與質(zhì)量及加速度與力的關(guān)系解析：選A“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗原理是：近似認為槽碼的重力為小車所受合力，所以需要平衡摩擦力，需要牽引小車的細線與木板平行，B、C正確；實驗中運用控制變量法研究各量間的關(guān)系，D正確；應(yīng)使槽碼的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，A錯誤。課堂練習5、探究無止境（三）情感、態(tài)度、價值觀(3)調(diào)節(jié)的基本依據(jù)是：照在光屏上的光很弱，主要原因是燈絲與單縫、雙縫，測量頭與遮光筒不共軸所致，干涉條紋不清晰一般原因是單縫與雙縫不平行所致，故應(yīng)正確調(diào)節(jié)．(2)箱內(nèi)底部受到水的壓強和壓力；[生]汽車的速度比火車大，所以汽車跑得快．12m1v21＝12m1v′21＋12m2v′22②學生自己閱讀課文回答“什么是近視眼？近視眼的成因是什么？”教師也可以提示學生注意觀察身邊的近視眼患者的眼球有向外凸、眼底向內(nèi)凹的趨勢。從而提出問題：遠處物體射來的光經(jīng)過近視眼成一個什么樣的像？學生猜想，進行下面的環(huán)節(jié)。(2)月球繞地球運動的周期T.二、液體壓強的計算①用數(shù)學中的組合知識求解：N＝C2n＝nn－12.特別提醒：(1)波長不同的電磁波，表現(xiàn)出不同的特性，其中波長較長的無線電波和紅外線等，易發(fā)生干涉、衍射現(xiàn)象；波長較短的紫外線、X射線、γ射線等，穿透能力較強．二、電磁波的發(fā)射與接收[解析]由GMmR2＝mg得M＝gR2G.③最大初動能：Ekm＝eUc2、利用如圖甲所示裝置做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗時：(1)圖乙中A、B圖線分別為A、B兩同學根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出的小車的加速度a和所受拉力F的圖像，下面給出了關(guān)于形成這種情況原因的四種解釋，其中可能正確的是________。A．實驗前A同學沒有平衡摩擦力B．A同學在平衡摩擦力時，把長木板的末端抬得過高了C．實驗前B同學沒有平衡摩擦力或把長木板的末端抬得不夠高D．B同學在平衡摩擦力時，把長木板的末端抬得過高了(2)在研究小車的加速度a和拉力F的關(guān)系時，由于沒有滿足M?m的關(guān)系，結(jié)果應(yīng)是下圖中的圖________。解析：答案：(1)BC

(2)D(1)由A同學測量的圖線，發(fā)現(xiàn)當拉力為零時，加速度不為零，知平衡摩擦力過度，即長木板的末端抬得過高了。由B同學測量的圖線，發(fā)現(xiàn)當拉力不為零時，加速度仍然為零，知未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。故B、C正確，A、D錯誤。(2)在力比較小時，即滿足M?m的關(guān)系，圖線為過原點的傾斜直線；隨著力F的增大，即砝碼和小盤總質(zhì)量的增大，不再滿足砝碼和小盤的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量，因此曲線上部出現(xiàn)向下彎曲現(xiàn)象，故D正確。3、圖甲是用來探究加速度和力之間關(guān)系的實驗裝置示意圖，圖乙是其俯視圖。兩個相同的小車，放在帶有定滑輪的木板上(事先通過調(diào)節(jié)木板與水平面間的夾角來抵消摩擦力的影響)，前端各系一條細繩，繩的另一端跨過定滑輪各掛一個小盤，盤里放有砝碼。兩個小車后端各系一條細線，細線后端用夾子固定，打開夾子，小盤和砝碼牽引小車運動，合上夾子，兩小車同時停止運動。(1)用刻度尺測出兩小車的位移，位移之比就等于它們的____之比；(2)為了探究加速度大小和力大小之間的關(guān)系，應(yīng)保持兩個____(選填“小車”或“小盤和砝碼”)的質(zhì)量相等；(3)為減小誤差，應(yīng)使小盤和砝碼的總質(zhì)量盡可能____(選填“遠小于”“等于”或“大于”)小車質(zhì)量。解析：(1)根據(jù)初速度為零的勻變速直線運動位移時間關(guān)系x＝1/2at2，兩小車運動時間相等，位移與加速度成正比；(2)根據(jù)控制變量法，要探究加速度和力之間的關(guān)系，需要小車的質(zhì)量保持不變，即兩小車質(zhì)量相等；(3)實驗中用小盤和砝碼的重力作為小車受到的拉力。只有在盤和盤中砝碼的質(zhì)量遠遠小于小車的質(zhì)量時，繩對小車拉力大小近似等于盤和盤中砝碼的重力?？键c三爆炸和反沖人船模型2、如圖所示，放在水平桌面上的瓶子，內(nèi)盛部分飲料，瓶口用塞子塞緊，倒過來時，液體對瓶塞的壓強比原來對瓶底的壓強_____，原因是_____；瓶子對桌面的壓強變_____，原因是___________________________?？键c二氫原子的能量及其變化教具：多媒體(1)當物體的動量變化量一定時，力的作用時間Δt越短，力F就