【物理】實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系 2023-2024學(xué)年高一上人教版（2019）必修第一冊(cè)

4.2實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系牛頓第一定律：一切物體總保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的力迫使他改變這種狀態(tài)1.力是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因2.質(zhì)量越大，慣性越大，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變加速度加速度加速度與力、質(zhì)量有關(guān)1.空載卡車(chē)與滿載卡車(chē)在相同動(dòng)力下哪個(gè)起動(dòng)更快？初步結(jié)論：m越大啟動(dòng)越慢，a越

.2.家用汽車(chē)與賽車(chē)在質(zhì)量相近時(shí)哪個(gè)起動(dòng)更快？初步結(jié)論：F越大啟動(dòng)越快，a越

.定性分析：加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系小大小車(chē)、砝碼、槽碼、細(xì)線、一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板、墊木、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、交變電源、紙帶、刻度尺、天平。用天平測(cè)出小車(chē)的質(zhì)量用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶計(jì)算出小車(chē)的加速度a槽碼的總重力G當(dāng)作小車(chē)受到的拉力F一、實(shí)驗(yàn)裝置探究實(shí)驗(yàn)控制變量的方法是指在研究和解決問(wèn)題的過(guò)程中，對(duì)影響事物變化規(guī)律的獨(dú)立因素加以人為控制，使其中只有一個(gè)因素按照特定的要求發(fā)生變化，而其他因素保持不變，以利于尋找事物發(fā)展變化的規(guī)律的方法。例如，在研究某個(gè)物理量y與另外兩個(gè)變量x1、x2的關(guān)系時(shí)，先固定一個(gè)變量x2不變，研究y與另一個(gè)變量x1之間的定量關(guān)系；然后再固定變量x1不變，研究y與x2之間的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)1.實(shí)驗(yàn)思路控制變量法(1)探究加速度與力的關(guān)系保持小車(chē)質(zhì)量不變，通過(guò)改變槽碼的個(gè)數(shù)改變小車(chē)所受的拉力，測(cè)得不同拉力下小車(chē)運(yùn)動(dòng)的加速度，分析加速度與拉力的定量關(guān)系。(2)探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系保持小車(chē)所受的拉力不變，通過(guò)在小車(chē)上增加重物改變小車(chē)的質(zhì)量，測(cè)得不同質(zhì)量的小車(chē)對(duì)應(yīng)的加速度，分析加速度與質(zhì)量的定量關(guān)系。2.物理量的測(cè)量質(zhì)量、加速度、力(1)質(zhì)量的測(cè)量：用天平測(cè)量。在小車(chē)中增減砝碼的數(shù)量可改變小車(chē)的質(zhì)量。(2)加速度的測(cè)量①方法1：讓小車(chē)做初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，用刻度尺測(cè)量小車(chē)移動(dòng)的位移x，用秒表測(cè)量發(fā)生這段位移所用的時(shí)間t，然后由a＝

計(jì)算出加速度a。②方法2：由紙帶根據(jù)公式Δx＝aT2結(jié)合逐差法計(jì)算出小車(chē)的加速度。③方法3：不直接測(cè)量加速度，求加速度之比。例如：讓兩個(gè)做初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t相等，測(cè)出各自的位移x1、x2，則

，把加速度的測(cè)量轉(zhuǎn)換成位移的測(cè)量。(3)力的測(cè)量：①如何給小車(chē)施加一個(gè)可以測(cè)量的恒力呢？F②細(xì)線給小車(chē)提供的拉力是小車(chē)受到的合力嗎？通過(guò)滑輪連接槽碼。GNFf不是，F(xiàn)合＝F－Ff。③如何調(diào)整裝置能夠消除阻力的影響，使細(xì)線的拉力就是小車(chē)受到的合力？在木板遠(yuǎn)離定滑輪端墊上墊木，讓重力沿斜面的分力與小車(chē)受到的阻力平衡即補(bǔ)償了阻力。GNf④如何用實(shí)驗(yàn)方法判定阻力剛好被補(bǔ)償？調(diào)整墊木位置，輕推小車(chē)，小車(chē)做勻速直線運(yùn)動(dòng)(紙帶上的點(diǎn)均勻)即補(bǔ)償?shù)轿?，注意不系槽碼。FfFNG操作⑤懸掛的重物的重力等于細(xì)線的拉力嗎？mgF槽碼的重力不等于細(xì)線的拉力，F(xiàn)≠mg。⑥本實(shí)驗(yàn)做了怎樣的近似處理？當(dāng)小車(chē)(包括砝碼)質(zhì)量遠(yuǎn)大于槽碼質(zhì)量時(shí)，細(xì)線拉力近似等于槽碼的重力。實(shí)驗(yàn)過(guò)程1：探究a與F的關(guān)系（小車(chē)質(zhì)量不變）把細(xì)線繞過(guò)定滑輪系在小車(chē)上，另一端掛上槽碼。保持小車(chē)質(zhì)量不變，改變槽碼的個(gè)數(shù)，以改變小車(chē)所受的拉力。處理紙帶，測(cè)出加速度，將結(jié)果填入表1中。表1小車(chē)質(zhì)量一定拉力F/N

加速度a/(m·s－2)

實(shí)驗(yàn)演示三、實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)過(guò)程2：探究a與m的關(guān)系（鉤碼質(zhì)量不變）表2小車(chē)所受的拉力一定質(zhì)量m/kg

加速度a/(m·s－2)

保持槽碼個(gè)數(shù)不變，即保持小車(chē)所受的拉力不變，在小車(chē)上增減砝碼，重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)，求出相應(yīng)的加速度，把數(shù)據(jù)記錄在表2中。實(shí)驗(yàn)演示實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)小車(chē)質(zhì)量一定時(shí)，a與F成正比1.分析加速度a與拉力F的定量關(guān)系處理演示表1四、數(shù)據(jù)處理槽碼質(zhì)量m/g102030405060槽碼重力G/N0.1

0.20.3

0.4

0.5

0.6拉力F/N0.1

0.20.3

0.4

0.5

0.6加速度a/(m·s－2)

0.31

0.86

1.28

1.511.85

2.27實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)力F

一定時(shí)，a與m成反比2.分析加速度a與質(zhì)量m的定量關(guān)系質(zhì)量m0.4000.5000.7501.0001.200加速度a0.8610.6920.4700.3520.290表22.偶然誤差(1)質(zhì)量的測(cè)量(2)打點(diǎn)間隔、距離的測(cè)量(3)傾斜角度不當(dāng)，補(bǔ)償阻力不足或過(guò)度

1.系統(tǒng)誤差：本實(shí)驗(yàn)中用槽碼的重力代替小車(chē)受到的拉力(實(shí)際上小車(chē)受到的拉力要小于槽碼的重力)五、誤差分析思考實(shí)驗(yàn)時(shí)作出如圖甲、乙所示的圖像，試分析產(chǎn)生的原因。題圖甲：木板的傾角過(guò)大或補(bǔ)償阻力過(guò)度；題圖乙：沒(méi)有補(bǔ)償阻力或補(bǔ)償阻力不足。在補(bǔ)償阻力時(shí)，不要把懸掛槽碼的細(xì)線系在小車(chē)上，但要讓小車(chē)拖著紙帶運(yùn)動(dòng)。1.補(bǔ)償阻力改變拉力和小車(chē)質(zhì)量后，每次開(kāi)始時(shí)小車(chē)應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并應(yīng)先啟動(dòng)電源，再放開(kāi)小車(chē)，且應(yīng)在小車(chē)到達(dá)滑輪前按住小車(chē)。3.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的位置作圖像時(shí)，要使盡可能多的點(diǎn)落在所作直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)盡可能均勻分布在直線兩側(cè)，離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)舍去不予考慮。4.作圖規(guī)則每條紙帶必須在滿足小車(chē)與車(chē)上所加砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于槽碼的質(zhì)量的條件下打出時(shí)。只有如此，小車(chē)受到的拉力才可視為近似等于槽碼的重力。2.質(zhì)量關(guān)系六、注意事項(xiàng)1.(2022·北京市房山區(qū)高一期末)如圖所示為某同學(xué)“探究在外力一定的條件下，物體的加速度與其質(zhì)量間的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(1)下面列出了一些實(shí)驗(yàn)器材：電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、帶滑輪的長(zhǎng)木板、墊板、小車(chē)和砝碼、沙和沙桶、天平(附砝碼)。除以上器材外，還需要的有____；A.秒表 B.刻度尺 C.交變電源D.直流電源BC(2)本實(shí)驗(yàn)采用的科學(xué)方法是______；A.理想實(shí)驗(yàn)法 B.控制變量法 C.建立物理模型法B(3)實(shí)驗(yàn)中，需要補(bǔ)償打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)小車(chē)的阻力及其他阻力；小車(chē)放在長(zhǎng)木板上，后面固定一條紙帶，紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，把長(zhǎng)木板不帶滑輪的一端墊高，調(diào)節(jié)長(zhǎng)木板的傾斜度，使小車(chē)在不受繩的拉力時(shí)能拖動(dòng)紙帶沿長(zhǎng)木板做__________運(yùn)動(dòng)；勻速直線(4)實(shí)驗(yàn)時(shí)，某小組同學(xué)由于疏忽，遺漏了補(bǔ)償阻力這一步驟，他得到的a－F圖像可能是圖中的________(選填“①”“②”或“③”)圖線。③(5)某小組在實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持沙和沙桶質(zhì)量不變，改變小車(chē)質(zhì)量m，分別記錄小車(chē)加速度a與其質(zhì)量m的數(shù)據(jù)，在分析處理數(shù)據(jù)時(shí)，該組同學(xué)產(chǎn)生分歧：甲同學(xué)認(rèn)為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以作出小車(chē)加速度a與其質(zhì)量m的圖像，如圖甲，然后由圖像直接得出a與m成反比。乙同學(xué)認(rèn)為應(yīng)該繼續(xù)驗(yàn)證a與其質(zhì)量的倒數(shù)

是否成正比，并作出小車(chē)加速度a與其質(zhì)量的倒數(shù)

的圖像，如圖乙所示。你認(rèn)為同學(xué)________(選填“甲”或“乙”)的方案更合理。乙2.(2023·廣東中山市期末考試)某同學(xué)用圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究小車(chē)的加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所用交變電流的頻率為50Hz。(1)把木板的一側(cè)墊高，調(diào)節(jié)木板的傾斜程度，使小車(chē)在不受牽引時(shí)能拖動(dòng)紙帶勻速運(yùn)動(dòng)，這樣做的目的是_________。補(bǔ)償阻力(2)圖乙是某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間有四個(gè)打出的點(diǎn)未畫(huà)出，部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在圖中已標(biāo)注，則紙帶的______(填“左”或“右”)端與小車(chē)相連，小車(chē)加速度是________m/s2。左0.51(3)保持小車(chē)所受的拉力不變，改變小車(chē)質(zhì)量m，分別測(cè)得不同質(zhì)量時(shí)小車(chē)加速度a的數(shù)據(jù)如表所示。請(qǐng)?jiān)趫D丙中作出a－

圖像。根據(jù)a－

圖像可以得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是________________________________________。次數(shù)1234加速度a/(m·s－2)0.6000.4820.3070.152質(zhì)量倒數(shù)

/kg－14.003.002.001.00在拉力不變時(shí)，小車(chē)的加速度與質(zhì)量成反比實(shí)驗(yàn)原理：以小車(chē)、一端帶有定滑輪的長(zhǎng)木板、細(xì)線、砝碼、刻度尺、天平、夾子為實(shí)驗(yàn)器材，讓兩個(gè)做初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t相等，測(cè)出各自的位移x1、x2，則a1：a2=x1：x2，把加速度的測(cè)量轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度的測(cè)量.注意：只有當(dāng)盤(pán)和砝碼的質(zhì)量要比小車(chē)的質(zhì)量小得多時(shí)，小車(chē)所受拉力才近似等于盤(pán)和砝碼的總重力拓展方案1.控制m不變，探究a與F的關(guān)系在相同的時(shí)間內(nèi)，兩小車(chē)移動(dòng)的距離分別為：2.控制F不變，探究a與m的關(guān)系3.如圖甲所示為某同學(xué)研究物體加速度與力和質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，圖乙是該裝置的俯視圖。兩個(gè)相同的小車(chē)，放在水平桌面上，前端各系一條輕細(xì)繩，細(xì)繩的另一端跨過(guò)定滑輪各掛一個(gè)小盤(pán)，盤(pán)里可放砝碼。兩個(gè)小車(chē)通過(guò)細(xì)繩用黑板擦固定，抬起黑板擦，小盤(pán)和砝碼牽引小車(chē)同時(shí)開(kāi)始做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，按下黑板擦，兩小車(chē)同時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中補(bǔ)償阻力后，可以通過(guò)在小盤(pán)中增減砝碼來(lái)改變小車(chē)所受的合力，也可以通過(guò)增減小車(chē)上的砝碼來(lái)改變小車(chē)的總質(zhì)量。該同學(xué)記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示，則下列說(shuō)法中不正確的是A.研究小車(chē)的加速度與合外力的關(guān)系可以利用第1、2、3三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)B.研究小車(chē)的加速度與小車(chē)總質(zhì)量的關(guān)系可以利用第2、3、6三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)C.研究小車(chē)的加速度與小車(chē)總質(zhì)量的關(guān)系可以利用第4、5、6三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)D.可以通過(guò)比較兩個(gè)小車(chē)的位移來(lái)比較兩個(gè)小車(chē)的加速度大小實(shí)驗(yàn)次數(shù)小車(chē)1總質(zhì)量m1/g小車(chē)2總質(zhì)量m2/g小車(chē)1受合力F1/N小車(chē)2受合力F2/N小車(chē)1位移x1/cm小車(chē)2位移x2/cm15005000.100.2020.139.825005000.100.3015.244.535005000.200.3019.830.842505000.100.1039.720.053004000.100.1020.315.163005000.100.1030.018.0