實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系-導(dǎo)學(xué)案

1、 實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系 【學(xué)習(xí)目標】 1學(xué)會用“控制變量法”探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系 2會用圖象表示加速度與質(zhì)量、加速度與力之間的關(guān)系 【課前預(yù)習(xí)案】 1 實驗器材：小車、砝碼、小桶、砂、細線、一端附有定滑輪的長木板、墊木、打 點計時器、紙帶、. 2. 實驗原理：實驗的基本思想控制變量法 (1) 保持研究對象即小車的質(zhì)量丕變，改變小桶內(nèi)砂的質(zhì)量，即改變 , 測出小車的對應(yīng)加速度，驗證加速度是否與作用力成正比. (2) 保持小桶中砂的質(zhì)量不變，即保持不變，改變研究對象的質(zhì)量,測出 對應(yīng)不同質(zhì)量的加速度，驗證加速度是否與質(zhì)量成反比. 想一想： 實驗中小車的加速度怎樣得到？ 【課堂

2、探究案】 【典型例題】一、實驗方案的設(shè)計 1. 三個物理量的測量方法體會近似法 本實驗的研究對象：放在“光滑”“水平面”上的小 車(裝置如圖421所示). (1) 小車質(zhì)量的測量：禾U用天平測出，在小車上增減砝 碼可改變小車的質(zhì)量. 拉力的測量：當(dāng)小桶和砂的質(zhì)量遠小于小車質(zhì)量的 情況下，可以認為小桶和砂的重力近似等于小車所受的拉 力(合外力)，即F mg. (3) 加速度的測量：由紙帶根據(jù)公式 x = aT2,結(jié)合逐差法計算出 小車的加速度. 2. 實驗數(shù)據(jù)的處理方法一一圖象法、“化曲為直”法 (1) 研究加速度a和力F的關(guān)系 以加速度a為縱坐標，以力F為橫坐標，根據(jù)測量數(shù)據(jù)描點，然后作出圖象

3、，如圖 422所示，若圖象是一條通過原點的直線，就能說明a與F成正比. 研究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系如圖423所示，因為am圖象是曲線，檢查am圖 象是不是雙曲線，就能判斷它們之間是不是反比例關(guān)系，但檢查這條曲線是不是雙曲線， 1 相當(dāng)困難.若a和m成反比，則a與匚必成正比.我們采取“化曲為直”的方法，以 a 1 11 1 為縱坐標，以用為橫坐標，作出am圖象，若am圖象是一條直線，說明a與m成正比，即 a與m成反比. 圖423 二、實驗步驟 1. 用天平測出小車的質(zhì)量 M，并把數(shù)值記錄下來. 2按圖424所示的裝置把實驗器材安裝好（小車上先不系繩）. 圖424 3 平衡摩擦力：在長木板不帶定滑

4、輪的一端下面墊一木塊，反復(fù)移動木塊位置，直 到輕推小車在斜面上運動時可保持勻速直線運動為止（紙帶上相鄰點間距相等）. 4. 在小桶里放入適量的砂，通過細繩系在小車上，在小車上加放適量的砝碼，用天 平測出小桶和砂的質(zhì)量 m,記錄下來.接通電源，放開小車，待打點計時器在紙帶上打 好點后取下紙帶，并設(shè)計表格如下. 次數(shù) 1 2 3 4 小車加連度u心 砂和小桶的質(zhì)量m/kg 拉力E/N 5. 保持小車的質(zhì)量不變，改變砂和小桶的質(zhì)量，按步驟 4再做5次實驗. 6 在每條紙帶上選取一段比較理想的部分，算出每條紙帶對應(yīng)的加速度的值，填入 表格中. 7用縱坐標表示加速度，橫坐標表示作用力，根據(jù)實驗結(jié)果畫出小

5、車運動的aF圖 象，從而得出aF的關(guān)系. 8. 保持砂和小桶的質(zhì)量不變，在小車上加放砝碼，重復(fù)上面的實驗，求出相應(yīng)的加 1 速度，并設(shè)計表格如下.根據(jù)實驗結(jié)果畫出小車運動的aM圖象，從而得出aM的關(guān)系. 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 小車加速度a/（m * 小乍質(zhì)量jW/kg 9. 整理實驗器材，結(jié)束實驗. 三、誤差分析 1. 托盤和砝碼的總重力約等于小車所受的合外力，但會帶來一定的誤差.小車的質(zhì) 量與砂桶和砂的總質(zhì)量相差越大，這種誤差越小. 2. 為減小長度測量時的偶然誤差，可進行多次測量取平均值. 1 3. 沒有平衡摩擦力或摩擦力平衡不好，實驗中作出的 aF或aM圖象不過原點. 四、注意事

6、項 1. 實驗中小車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，不要懸掛小桶，但小車應(yīng)連著紙帶且接通電源.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. 改變砂的質(zhì)量過程中，要始終保證砂桶（包括砂）的質(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. 1用如圖425所示的裝置研究在作用力F 定 時，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)計的實驗步驟如下： A. 用天平稱出小車和小桶及內(nèi)部所裝砂

7、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砂桶； D .將電磁打點計時器接在6 V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. 保持小桶及其中砂子的質(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(fù)上述實驗； F. 分析每條紙帶，測量并計算出加速度的值； G. 作aM關(guān)系圖象，并由圖象確定aM關(guān)系. (1) 該同學(xué)漏掉的重要實驗步驟是該步驟應(yīng)排在實驗之后. (2) 在上述步驟中，有錯誤的是 ，應(yīng)把 為. 在上述步驟中，處理不恰當(dāng)?shù)氖?應(yīng)把 為. 在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”活動 中，某小組

8、設(shè)計了如圖426所示的實驗裝置圖中上下兩層水平軌道表面光滑，兩小車 前端系上細線，細線跨過滑輪并掛上砝碼盤，兩小車尾部細線連到控制裝置上，實驗時 通過控制裝置使兩小車同時開始運動，然后同時停止. (1) 在安裝實驗裝置時，應(yīng)調(diào)整滑輪的高度，使 在實驗時，為減小系統(tǒng)誤 差，應(yīng)使砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量 選填“遠大于”“遠小于”或“等于”)小車的 質(zhì)量. (2) 本實驗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，是因為 (3) 實驗中獲得數(shù)據(jù)如下表所示：小車I、U的質(zhì)量均為200 g. 玄強fk敕 小嚇 hz Jj r/ N 位 fV j/cm 1 1 仏1 n 0. 2 4& 51 2

9、D. 2 O 1 n 0” 3 43, 63 呂 I CL 3 11. 10 n 0. 4 44. 8() 4 i 0. 4 36. 43 n : 0” 5 4 牙” 56 在第1次實驗中小車I從A點運動到B點的位移如圖427所示，請將測量結(jié)果填到 表中空格處通過分析，可知表中第 實驗數(shù)據(jù)存在明顯錯誤，應(yīng)舍棄. 圖427 小牢打點葉財牌 3“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗裝 置如圖428甲所示. (1) 在平衡小車與桌面之間摩擦力的過程中，打出了一條紙帶如圖 428乙所示.計時 器打點的時間間隔為0.02 s.從比較清晰的點起，每5個點取一個計數(shù)點，量出相鄰計數(shù) 點之間的距離.該小車的加速

10、度大小 a=m/s2 (結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 平衡摩擦力后，將5個相同的砝碼都放在小車上.掛上砝碼盤，然后每次從小車 上取一個砝碼添加到砝碼盤中，測量小車的加速度.小車的加速度a與砝碼盤中砝碼總 重力F的實驗數(shù)據(jù)如下表： 歪力F/ M G 3U2 6 588 0. 980 加逮度 u (in m th 69 1, m 1. 久la 請根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在圖429中作出aF的關(guān)系圖象.小 (3)根據(jù)提供的實驗數(shù)據(jù)作出的aF圖線不通過原點，請說明主要原因. 【當(dāng)堂檢測】 在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實驗中，小車及車中砝碼的質(zhì)量用M表示，盤及 盤中砝碼的質(zhì)量用m表示，小車的加速度可由小車后拖動的紙帶打上

11、的點計算出. (1) 當(dāng)M與m的大小關(guān)系滿足 寸，才可以認為繩對小車的拉力大小等于盤 及盤中砝碼的重力. (2) 一組同學(xué)在做加速度與質(zhì)量的關(guān)系實驗時，保持盤及盤中砝碼的質(zhì)量一定，改變 小車及車中砝碼的質(zhì)量，測出相應(yīng)的加速度，采用圖象法處理數(shù)據(jù).為了比較容易地觀 測加速度a與質(zhì)量M的關(guān)系，應(yīng)該做a與的圖象. 圖 4211 1 乙、丙同學(xué)用同一裝置做實驗，畫出了各自得到的aM圖線如圖4211所示，兩個 同學(xué)做實驗時的盤及盤中砝碼的質(zhì)量 m乙（填“大于” “小于”或“等于” ）m丙. 【課后訓(xùn)練】 1 在利用打點計時器探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實驗中，以下做法正確的是（） A. 平衡摩擦力時，應(yīng)將

12、重物用細繩通過定滑輪系在小車上 B. 每次改變小車的質(zhì)量時，不需要重新平衡摩擦力 C. 實驗時，先放開小車，后接通電源 D “重物的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量”這一條件如不滿足，對探 究過程也不會產(chǎn)生影響 2如圖4212所示，在探究加速度和力、質(zhì)量關(guān)系的實驗中，若 1、2兩個相同的小車所受拉力分別為 F1、F2,車中所放砝碼的質(zhì)量分別為 m1、m2，打開 夾子后經(jīng)過相同的時間兩車的位移分別為 X1、X2,則在實驗誤差允許的范圍內(nèi)，有（ ） A. 當(dāng) m1= m2、 F1 = 2F2 時， X1 = 2x2 B. 當(dāng) m1 =m2、 F1 = 2F2 時， X2 = 2X1 C. 當(dāng) F1： 二 F2

13、、 m1 = 2m2 時， X1 = 2X2 D. 當(dāng) F1： 二 F2、 m1 = 2m2 時， X2 = 2X1 3如圖4213是某些同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出的圖象，下列說法中正確的是（） 圖 4213 A甲和乙較好地把握了實驗條件 M遠大于m B. 丙和丁沒有把握好實驗條件 M遠大于m C. 甲同學(xué)長木板的傾角太小，而乙同學(xué)長木板的傾角太大 D .甲、乙、丙三同學(xué)中，丙較好地完成了平衡摩擦力的操作 4. 如圖 4214 所示，是某次利用氣墊導(dǎo)軌探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實驗裝置安 裝完畢后的示意圖，圖中 A 為沙桶和沙， B 為定滑輪， C 為滑塊及上面添加的砝碼， D 為紙帶，E為電火花計

14、時器，F(xiàn)為蓄電池，電壓為6 V, G是電鍵，請指出圖中的三處錯 誤： 圖 4214 (1)；_ (2) ；_ (3) ._ 5. 某同學(xué)設(shè)計了一個“探究加速度與物體所受合力及質(zhì)量的關(guān)系”實驗.如圖4215 所示為實驗裝置簡圖，A為小車，B 為電火花計時器，C為裝有砝碼的小桶，D為一端 帶有定滑輪的長方形木板電源頻率 50 Hz. 圖 4215 (1)在實驗中必須平衡摩擦力，以小車 所受重力的沿斜面向下的分力平衡摩 擦力，當(dāng)小車做 運動時，摩擦力恰好被平衡；之后可認為細繩對小車的拉力 F 等于砝碼和小桶的總重力，需滿足的條件是 (2) 圖 4216為某次實驗得到的紙帶 (紙帶上的點為實際打下的點

15、 )，根據(jù)圖中的紙帶和 相關(guān)數(shù)據(jù)可求出小車的加速度大小a=m/s2(結(jié)果取兩位有效數(shù)字) 圖 4216 (3) 在“探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系”時， 保持砝碼和小桶質(zhì)量不變， 改變小車質(zhì)量 M， 分別得到小車加速度a與質(zhì)量M的數(shù)據(jù)如下表： 1 2 I 5 7 8 S 小勺：An f 111 * X 1. SJH 1 , 72 1. 4H I. 25 I .(11 0. 75 g 4 H (J. 511 小 A JcR ht W Z 0. 25 0+ 25 O+ 33 0. io OB 50 a. 71 (X 75 1. 00 1* 07 根據(jù)上表數(shù)據(jù)，為直觀反映F不變時a與M的關(guān)系，請在圖4217

16、所示方格坐標紙 中選擇恰當(dāng)?shù)奈锢砹拷⒆鴺讼?，并作出圖線.（如有需要，可利用上表中空格） 圖 4217 6如圖4218甲所示，為“用DIS（位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機）研究加速度和力 的關(guān)系”的實驗裝置. 圖 4218 (1) 在該實驗中必須采用控制變量法，應(yīng)保持 變，用鉤碼所受的重力大小 作為 用DIS測小車的加速度. (2) 改變所掛鉤碼的數(shù)量，多次重復(fù)測量在某次實驗中根據(jù)測得的多組數(shù)據(jù)可畫出 aF關(guān)系圖線(如圖乙所示).分析此圖線0A段可得出的實驗結(jié)論是 (3) 此圖線的AB段明顯偏離直線，造成此誤差的主要原因是 () A小車與軌道之間存在摩擦 B.導(dǎo)軌保持了水平狀態(tài) C 所掛鉤碼的

17、總質(zhì)量太大 D 所用小車的質(zhì)量太大 7某同學(xué)設(shè)計了用光電門傳感器“探究小車的加速度 a與小車所受拉力F及質(zhì)量M 關(guān)系”的實驗. 圖 4219 (1) 如圖4219甲所示，在小車上固定寬度為 L的擋光片，將兩個光電門傳感器固定 在相距為d的軌道上，釋放小車，傳感器記錄下小車經(jīng)過光電門的時間如 t2,可以 測得小車的加速度a=(用題中的符號L、d、 t1、 t2表示). (2) 在該實驗中必須采用 法(填物理方法)，應(yīng)保持 變，通過改變 鉤碼的個數(shù)來改變小車所受的拉力大小，研究加速度a隨拉力F變化的規(guī)律. (3) 甲同學(xué)由于實驗時沒有注意始終滿足M? m的條件(m為鉤碼和盤的質(zhì)量)，結(jié)果 得到的圖象應(yīng)是下圖中的. (4)乙、丙兩名同學(xué)用同一裝置做實驗，畫出了各 自得到的aF圖線如圖乙所示，兩個同學(xué)做實驗時的哪 一個 物理量 取值不 同 ？ .w P 8某同學(xué)設(shè)計了如圖 4220所示的裝置來探究加速度與力的關(guān) 系彈簧秤固定在一合適的木板上，桌面的右邊緣固定一支表面光 滑的鉛筆以代替定滑輪，細繩的兩端分別與彈簧秤的掛鉤和礦泉水 瓶連接. 在桌面上畫出兩條平行線 MN、PQ,并測出間距d.開始時將木 板置于MN處，現(xiàn)緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開始運動為止，記下彈簧秤的示數(shù)Fo, 以此表示滑動摩擦力的大小.再將木板