高中物理 第四章 牛顿运动定律第2课时实验探究加速度与力质量的关系教师用书 新人教版必修1Word文档格式.docx
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基础梳理]
1.实验器材
小车、砝码、小桶、砂、细线、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、交流电源、纸带、刻度尺、天平。
2.实验原理
(1)实验的基本思想——控制变量法
①保持研究对象即小车的质量不变,改变小桶内砂的质量,即改变作用力,测出小车的对应加速度,验证加速度是否正比于作用力。
②保持小桶中砂的质量不变,即保持作用力不变,改变研究对象的质量,测出对应不同质量的加速度,验证加速度是否反比于质量。
(2)三个物理量的测量
①小车质量的测量
利用天平测出,在小车上增减砝码可改变小车的质量。
②拉力的测量
当小桶和砂的质量远小于小车的质量时,可以认为小桶和砂的重力近似等于对小车的拉力,即F≈mg。
③加速度的测量:
逐差法。
放在长木板上的小车在拉力的作用下做匀加速直线运动。
3.实验步骤
(1)用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0,并把数值记录下来。
(2)按图1实验器材安装好(小车上不系绳)。
图1
(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(直到打点计时器打出的纸带上相邻点的间距相等)。
(4)把小车停放在打点计时器处,挂上小盘和砝码,先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此时所挂小盘和砝码的总重力m1g。
(5)保持小车的质量不变,改变小盘中砝码的质量,重复步骤4,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…
(6)保持小车所受的合外力不变,在小车上加钩码,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钩码的总质量M1。
(7)继续在小车上增加钩码,重复步骤6,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钩码的总质量M2、M3…
(8)用公式Δx=aT2或a=
求得小车的加速度a,将得到的数据填入相应表格中,以便进行数据验证。
4.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
1
2
3
4
5
6
作用力(小盘和砝码的重力)
加速度a
以a为纵坐标、F为横坐标,根据数据作a-F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(小车和钩码)在相同力的作用下产生的加速度填在表中:
小车和钩码质量M
分别以a为纵坐标、M和
为横坐标,根据数据作a-M图象和a-
图象,分析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。
5.误差分析
(1)实验原理不完善造成系统误差:
实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力),存在系统误差;
小盘和砝码的总质量越接近小车的质量,误差就越大,反之,小盘和砝码的总质量越小于小车的质量,误差就越小。
(2)测量、操作不够准确造成偶然误差:
①质量的测量误差。
②纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差。
③拉线或纸带不与木板平行会造成误差。
④平衡摩擦力不够(或过度)造成的误差,该误差使作出的图线在横轴(或纵轴)上产生截距。
6.注意事项
(1)实验中小车靠近打点计时器且应先接通电源后释放小车。
(2)在平衡摩擦力时,不要悬挂小桶,但小车应连着纸带且接通电源。
用手轻轻地给小车一个初速度,如果在纸带上打出的点的间隔均匀,表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡。
(3)改变砂的质量过程中,要始终保证砂桶(包括砂)的质量远小于小车的质量。
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。
若遇到个别偏离较远的点可舍去。
典例精析]
【例1】用如图2所示的装置研究在作用力F一定时,小车的加速度a与小车质量M的关系,某位同学设计的实验步骤如下:
图2
A.用天平称出小车和小桶及内部所装砂子的质量;
B.按图装好实验器材;
C.把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂小桶;
D.将电磁打点计时器接在12V电压的蓄电池上;
E.先放开小车,再接通电源,打点计时器在纸带上打下一系列点,并在纸带上标明小车质量;
F.保持小桶及其中砂子的质量不变,增加小车上的砝码个数,并记录每次增加后的M值,重复上述实验;
G.分析每条纸带,测量并计算出加速度的值;
H.作a-M关系图象,并由图象确定a-M关系。
(1)该同学漏掉的重要实验步骤是____________,该步骤应排在______步实验之后。
(2)在上述步骤中,有错误的是____________,应把__________________________改为__________________________。
(3)在上述步骤中,处理不恰当的是________,应把________改作________。
解析 实验中把小桶及其中砂子的重力看做与小车所受拉力大小相等,没有考虑摩擦力,故必须平衡摩擦力。
电磁打点计时器接在12V电压的蓄电池上将无法工作,必须接在6V以下交流电压的学生电源上。
实验时,应先接通电源,再放开小车。
作a-M关系图象,得到的是双曲线,很难作出正确的判断,必须“化曲为直”,改作a-
关系图象。
答案
(1)平衡摩擦力 B
(2)D、E D将“12V电压的蓄电池”改为“6V以下交流电压的学生电源” E将“先放开小车,再接通电源”改为“先接通电源,再放开小车” (3)H a-M a-
技巧点拨] 平衡摩擦力的方法:
将不带定滑轮的一端适当垫高,在不挂小桶的情况下,使小车带动纸带(打点计时器打点时),沿长木板恰好做匀速直线运动。
目的:
使小桶和砂子的重力等于小车受到的合力。
即学即练]
1.(2016·
杭州期末)在做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时,采用如图3所示的实验装置,让重物通过轻绳拖动小车在长木板上做匀加速直线运动。
其中小车质量用M表示,重物质量用m表示,加速度用a表示。
图3
(1)实验时需要将长木板的一端垫起适当的高度,这样做是为了消除____________________的影响,使小车所受合外力F等于绳对小车的拉力。
(2)实验中由于绳对小车的拉力______(选填“大于”、“等于”、“小于”)重物所受的重力,会给实验带来系统误差。
为减小此误差,实验中要对小车质量M和重物质量m进行选取,以下四组数据中最合理的一组是____。
(填写相应序号)。
①M=200g,m=40g、60g、80g、100g、120g、140g
②M=200g,m=30g、35g、40g、45g、50g、55g
③M=400g,m=20g、40g、60g、80g、100g、120g
④M=400g,m=10g、15g、20g、25g、30g、35g
(3)实验中某同学先保持重物质量m不变,改变小车质量M,测出了相应的加速度a。
为便于得到a与M的关系,他采用图象法处理数据,你建议他做a与________的图象。
解析
(1)为了消除小车所受摩擦力对实验的影响,在实验中需将长木板一端适当垫高。
(2)重物与小车一起加速运动,因为重物对小车的拉力小于重物的重力,只有m≪M时才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘和盘中砝码的重力,因此④符合要求。
(3)因a-
图象是一条过原点的直线,容易判断,故应做a与
的图象。
答案
(1)木板对小车的摩擦力
(2)小于 ④ (3)
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物理量的关系,这种方法叫做控制变量法。
2.对比实验法:
两个相同的小车放在光滑水平板上,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。
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4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。
图4
3.图象法处理数据:
此实验要探究加速度与力、质量的定量关系,当通过实验测出所需的数据后,我们很难直接通过观察数据得出物理量之间的关系,此时,我们可以借助物理图象,通过图象可以比较直观地观察出物理量之间的关系。
【例2】两个相同的小车并排放在光滑水平桌面上,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5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5
由于两个小车初速度都是零,运动时间又相同,x=
at2,即x∝a,只要测出两小车位移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G=mg的大小作为小车所受拉力F的大小,这样做会引起实验误差,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。
砝码(包括砝码盘)的重力大于小车所受的拉力,但如果砝码(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 G≪Mg
2.在“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”实验中,某小组设计了如图6所示的实验装置。
图中上下两层水平轨道表面光滑,两小车前端系上细线,细线跨过滑轮并挂上砝码盘,两小车尾部细线连到控制装置上,实验时通过控制装置使两小车同时开始运动,然后同时停止。
图6
(1)在安装实验装置时,应调整滑轮的高度,使__________________;
在实验时,为减小系统误差,应使砝码盘和砝码的总质量________小车的质量(填“远大于”“远小于”或“等于”)。
(2)本实验通过比较两小车的位移来比较两小车加速度的大小,能这样比较,是因为________。
解析
(1)对于实验装置的配备安装,要通过调整滑轮高度使细线与轨道平行,还要使砝码和砝码盘的总质量远小于小车质量,这样才能将砝码和砝码盘的总重力视为小车受到的拉力。
(2)由于x=
at2,t相同x∝a。
答案
(1)细线与轨道保持平行 远小于
(2)x=
at2
1.在利用打点计时器探究加速度与力、质量关系的实验中,以下做法正确的是( )
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.每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力
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,对探究过程也不会产生影响
解析 平衡摩擦力时,小车不挂重物,故A错误;
实验时应先接通电源,后放开小车,C错误;
实验时应满足小车的质量远大于重物的质量,否则误差很大,D错误。
答案 B
2.在“探究加速度与力、质量的关系”实验时,已提供了小车、一端附有定滑轮的长木板、纸带、带小盘的细线、刻度尺、天平、导线。
为了完成实验,还须从下图中选取实验器材,其名称是_______________________________________;
并分别写出所选器材的作用:
__________________________________。
解析 根据实验原理可知,必须要用打出的纸带来求a,这就需要学生电源和打点计时器。
要测量和改变小车的质量,就要用砝码和钩码;
要改变小车受到拉力的大小,需用砝码。
答案 学生电源和电磁打点计时器(或电火花计时器)、钩码、砝码 学生电源为打点计时器提供交流电;
电磁打点计时器(或电火花计时器)记录小车运动的位置和时间;
钩码用以改变小车的质量;
砝码用以改变小车受到的拉力大小,还可用于测量小车质量
1.图1为“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置示意图。
砂和砂桶的总质量为m,小车和砝码的总质量为M。
实验中用砂和砂桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小。
实验中,为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力,先调节长木板一端滑轮的高度,使细线与长木板平行。
接下来还需要进行的一项操作是________(填正确答案标号)。
A.将长木板水平放置,让小车连着已经穿过打点计时器的纸带,给打点计时器通电,调节m的大小,使小车在砂和砂桶的牵引下运动,从打出的纸带判断小车是否做匀速运动
B.将长木板的一端垫起适当的高度,让小车连着已经穿过打点计时器的纸带,撤去砂和砂桶,给打点计时器通电,轻推小车,从打出的纸带判断小车是否做匀速运动
C.将长木板的一端垫起适当的高度,撤去纸带以及砂和砂桶,轻推小车,观察判断小车是否做匀速运动
解析 小车在运动过程中受到重力、支持力、纸带的拉力、木板对小车的摩擦力和细线拉力的作用。
为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合力,因此应把木板的一端垫起适当的高度,以使重力、支持力、纸带的拉力和摩擦力的合力为零,即小车做匀速运动,因此在进行这一操作时,不应挂砂桶,小车应连接纸带,A、C项错误,B项正确。
2.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,备有下列器材:
A.电火花计时器;
B.天平;
C.秒表;
D.交流电源;
E.电池;
F.纸带;
G.细绳、砝码、滑块(可放在气垫导轨上);
H.气垫导轨(一端带定滑轮);
I.毫米刻度尺;
J.小型气泵。
(1)实验中应选用的器材有______________________;
实验的研究对象是_______________________________________________________________。
(2)本实验分两大步骤进行:
①________________________;
②________________________。
解析 本实验探究加速度与力、质量的关系,研究对象为放在气垫导轨上的滑块、需要测量滑块的加速度,因此器材应选A、B、D、F、G、H、I、J;
不需要测时间,故不需要C秒表;
计时器用交流电源而电池为直流电源,故不需要E;
需要测量滑块质量故需要用B天平。
实验分两大步骤进行:
控制滑块质量不变,探究加速度与力的关系;
控制力不变,探究加速度与滑块质量的关系。
答案
(1)A、B、D、F、G、H、I、J 放在气垫导轨上的滑块
(2)①(m一定)探究a与F的关系 ②(F一定)探究a与m的关系
3.用如图2所示装置探究“加速度与力、质量的关系”的实验中:
(1)某同学在接通电源进行实验之前,将实验器材组装成如图2所示。
请你指出该装置中的错误或不妥之处:
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________。
(2)改正实验装置后,该同学顺利地完成了实验。
如图3所示是他在实验中得到的一条纸带,图中相邻两计数点之间的时间间隔为0.1s,由图中的数据可算得小车的加速度a为________m/s2。
解析
(1)打点计时器必须使用交流电源,不能使用干电池;
为保证细绳对小车的拉力作为小车受到合外力,实验前必须平衡摩擦力,该装置却没有平衡摩擦力;
为了在纸带上打下更多的点,实验时小车的初始位置离打点计时器不可太远。
(2)加速度可用逐差法求出:
a=
=
m/s2=0.195m/s2。
答案
(1)打点计时器不应使用干电池,应使用交流电源;
实验中没有平衡摩擦力;
小车初始位置离打点计时器太远
(2)0.195
4.“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图4甲所示。
(1)当小车(包括车中砝码)的质量M与砝码及盘的质量m的大小关系满足________时,才可以认为绳对小车的拉力大小等于砝码盘及砝码盘中砝码的重力。
(2)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带如图乙所示。
打点计时器打点的时间间隔为0.02s。
从比较清晰的点起,每5个点取一个计数点,量出相邻计数点之间的距离。
该小车的加速度大小a=________m/s2。
(结果保留两位有效数字)
解析
(1)探究加速度与力、质量的关系的实验中,要保证m≪M,才能保证绳子的拉力约等于m的重力。
(2)计数点时间间隔T=0.1s,间距x1=3.52cm,x2=3.68cm,x3=3.83cm。
因x2-x1=a1T2,x3-x2=a2T2,a=
,
得a=
≈0.16m/s2。
答案
(1)m≪M
(2)0.16
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