新人教版高中物理必修第一冊2 4.2實(shí)驗(yàn) 探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

2.實(shí)驗(yàn):探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系第四章運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?.探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。2.學(xué)會(huì)用___________探究物理規(guī)律?？刂谱兞糠ā緦?shí)驗(yàn)器材】帶滑輪的木板、薄墊塊、小車、細(xì)繩、重物(小槽碼或沙桶)、___________、紙帶、_________、天平、砝碼、刻度尺。打點(diǎn)計(jì)時(shí)器交流電源

【實(shí)驗(yàn)原理與設(shè)計(jì)】1.實(shí)驗(yàn)的基本思想——控制變量法:(1)變量的控制要求:在物理實(shí)驗(yàn)中,要注意控制實(shí)驗(yàn)過程中的不同變量。(2)設(shè)計(jì)思路:①若討論加速度與物體受力的關(guān)系,應(yīng)控制_____不變。②若討論加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系,應(yīng)控制_____不變。質(zhì)量受力(3)實(shí)驗(yàn)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(gè)物理量的關(guān)系,再綜合解決問題的控制變量法,被廣泛應(yīng)用于科學(xué)探究中。2.實(shí)驗(yàn)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(yīng)的加速度a,則可得a與F的關(guān)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(yīng)的加速度a,則可得a與m的關(guān)系。在小車上增減砝碼3.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——三個(gè)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(shí)能_________;c.此時(shí)小車重力沿斜面的分力恰好抵消其所受__________________。勻速運(yùn)動(dòng)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(shí),才可以近似認(rèn)為重物的重力等于對小車的拉力。所掛重物的質(zhì)量遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng),即Δx=___。②應(yīng)用刻度尺測量_________________。③應(yīng)用_______計(jì)算對應(yīng)的加速度大小。aT2計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離逐差法

【實(shí)驗(yàn)過程】一、實(shí)驗(yàn)步驟1.安裝實(shí)驗(yàn)器材:將小車置于帶有定滑輪的木板上,將紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)分布均勻?yàn)橹埂?.懸掛重物:在細(xì)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(diǎn)計(jì)時(shí)器后開啟打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,并讓小車由靜止釋放,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列點(diǎn),據(jù)此計(jì)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(yuǎn)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(yùn)動(dòng)情況。取下紙帶。并在紙帶上標(biāo)上號碼及所掛槽碼的總重力m1g。(2)重復(fù)步驟4,多做幾次實(shí)驗(yàn),并記錄好相應(yīng)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(yuǎn)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(yùn)動(dòng)情況。取下紙帶。并在紙帶上標(biāo)上號碼及所掛槽碼的總重力m1g。(2)重復(fù)步驟4,多做幾次實(shí)驗(yàn),并記錄好相應(yīng)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(yùn)動(dòng)情況。取下紙帶,并在紙帶上標(biāo)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(fù)步驟6,多做幾次實(shí)驗(yàn),在每次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶上標(biāo)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(yīng)表格中,以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?！舅伎肌?1)實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意哪幾方面的操作安全問題?提示:①使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí),應(yīng)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(dòng)小車,使小車運(yùn)動(dòng),當(dāng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在小車所連接的紙帶上打出的點(diǎn)跡均勻時(shí),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(biāo)、F為橫坐標(biāo),根據(jù)數(shù)據(jù)作a-F

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

圖像,用曲線擬合測量點(diǎn),找出規(guī)律,分析a與F的關(guān)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(biāo)、M和

為橫坐標(biāo),根據(jù)數(shù)據(jù)作a-M圖像和a-

圖像,分析a與M的關(guān)系。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)論:(1)對同一物體,當(dāng)M不變時(shí),物體的加速度a與所受力F成正比。(2)對不同物體,當(dāng)F不變時(shí),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(guān)系時(shí),不作a-M圖像,而是作a-

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

【誤差分析】1.實(shí)驗(yàn)原理不完善造成系統(tǒng)誤差:(1)產(chǎn)生原因:實(shí)驗(yàn)中用槽碼的重力代替小車受到的拉力(實(shí)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(shè)小車的質(zhì)量為M,槽碼的質(zhì)量為m,當(dāng)二者一起運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度為a,以小車和槽碼作為一個(gè)整體為研究對象,依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論可得mg=(M+m)a以小車為研究對象,設(shè)其受的拉力為T,則T=Ma聯(lián)立得T=

·mg只有當(dāng)m?M時(shí),T≈mg(說明:此內(nèi)容可結(jié)合下一節(jié)內(nèi)容學(xué)習(xí))

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(zhǔn)確造成偶然誤差:(1)質(zhì)量的測量帶來誤差。(2)紙帶上打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)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(jìn)實(shí)驗(yàn)器材的角度,討論改進(jìn)測量小車所受拉力的方法,減小實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的小車上,將接收器裝在小車運(yùn)動(dòng)軌道的末端,并通過數(shù)據(jù)采集器輸入計(jì)算機(jī),就可以測出小車所受的拉力。類型一實(shí)驗(yàn)操作例1在做“驗(yàn)證牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí)(裝置如圖所示):典例精析(1)下列說法中正確的是__________。

A.平衡運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力時(shí),應(yīng)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(yīng)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(dòng)D.小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,且應(yīng)先接通電源再釋放小車(2)研究在作用力F一定時(shí),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(jì)的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)計(jì)時(shí)器接在6V電壓的蓄電池上,接通電源,放開小車,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn),并在紙帶上標(biāo)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(gè)數(shù),并記錄每次增加后的M值,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。F.分析每條紙帶,測量并計(jì)算出加速度的值。G.作a-M關(guān)系圖像,并由圖像確定a、M關(guān)系。

①該同學(xué)漏掉的重要實(shí)驗(yàn)步驟是__________,該步驟應(yīng)排在____________步實(shí)驗(yàn)之后。

②在上述步驟中,有錯(cuò)誤的是________________,應(yīng)把__________改為__________。

③在上述步驟中,處理不恰當(dāng)?shù)氖莀___________,應(yīng)把__________改為__________。

【解析】(1)平衡摩擦力時(shí),應(yīng)將繩從小車上拿去,輕輕推動(dòng)小車,使小車沿木板運(yùn)動(dòng),通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出來的紙帶判斷小車是否勻速運(yùn)動(dòng),A錯(cuò)誤;若連接沙桶和小車的細(xì)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(dǎo)致誤差增大,B正確;每次改變小車的質(zhì)量時(shí),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(dòng),以防摩擦力不再平衡,C正確;實(shí)驗(yàn)時(shí),若先放開小車再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器電源,由于小車運(yùn)動(dòng)較快,可能會(huì)使打出來的點(diǎn)很少,不利于數(shù)據(jù)的采集和處理,應(yīng)先接通電源待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作穩(wěn)定后再釋放小車;同時(shí)要求開始小車要靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,故D正確。(2)①漏掉的重要實(shí)驗(yàn)步驟是平衡摩擦力,該步驟應(yīng)排在B步實(shí)驗(yàn)之后。②電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)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(yīng)該使用4～6V的低壓交流學(xué)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(guān)系,但a-是正比例關(guān)系,而正比例關(guān)系圖像是一條過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線,所以應(yīng)作a-圖像,處理不當(dāng)?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(xué)設(shè)計(jì)了“探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量m的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)。典例精析如圖甲為實(shí)驗(yàn)裝置簡圖,A為小車,B為電火花計(jì)時(shí)器,C為裝有細(xì)砂的小桶,D為一端帶有定滑輪的長方形木板,實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為細(xì)繩對小車?yán)等于細(xì)砂和小桶的總重力,小車運(yùn)動(dòng)的加速度a可用紙帶上打出的點(diǎn)求得。(1)某次實(shí)驗(yàn)時(shí),測得小車和小車上的砝碼總質(zhì)量為800g,則細(xì)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(shí)驗(yàn)得到的紙帶,已知實(shí)驗(yàn)所用電源的頻率為50Hz。根據(jù)紙帶可求出電火花計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)的速度為__________m/s,小車的加速度大小為__________m/s2。(結(jié)果均保留兩位小數(shù))

(3)在“探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系”時(shí),某同學(xué)按照自己的方案將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都在坐標(biāo)系中進(jìn)行了標(biāo)注,但尚未完成圖像(如圖丙所示)。請繼續(xù)幫助該同學(xué)作出坐標(biāo)系中的圖像。(4)在“探究加速度a與合力F的關(guān)系”時(shí),該同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(biāo)原點(diǎn)的原因是__________________。

【解析】(1)為了使細(xì)繩對小車?yán)等于細(xì)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)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(xì)砂和小桶的總質(zhì)量較為合理的是50g,故A正確,B、C、D錯(cuò)誤。(2)AC這段位移的平均速度等于AC這段時(shí)間中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度,即B點(diǎn)的瞬時(shí)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(diǎn)法作出圖像,如圖所示(4)圖線不通過坐標(biāo)原點(diǎn),F不為零時(shí),加速度仍為零,知實(shí)驗(yàn)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(shí)速度的求法:根據(jù)中間時(shí)刻的瞬時(shí)速度等于這段位移的平均速度,求解某點(diǎn)的瞬時(shí)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(shí),要使盡可能多的點(diǎn)在所作直線上,不在直線上的點(diǎn)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè),個(gè)別偏離較遠(yuǎn)的點(diǎn)舍去。歸納總結(jié)類型三實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新例3如圖所示,請利用力傳感器和位移傳感器,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案探究加速度a與作用力F、m之間的關(guān)系。(儀器不足的可補(bǔ)充)1.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新思路:(1)改進(jìn)拉力的測量方法。(2)改進(jìn)加速度的測量方法。典例精析2.實(shí)驗(yàn)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(xì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),歸納得出結(jié)論。懸掛槽碼3.誤差分析:(1)軌道要求:軌道應(yīng)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(yīng)小些。平衡摩擦力及阻力【創(chuàng)新評價(jià)】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?yán)?改進(jìn)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(biāo)紙作圖,改進(jìn)為通過數(shù)據(jù)采集器輸入計(jì)算機(jī),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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),歸納得出結(jié)論。懸掛槽碼