高中物理人教版 (2019)必修 第一册2 实验：探究加速度与力、质量的关系学案

2　实验：探究加速度与力、质量的关系

[学习目标]　1.学习用控制变量法探究物理规律(难点)。2.明确实验原理，能通过实验数据及图像得出加速度与力、质量的关系(重难点)。

一、实验装置

小车、砝码、槽码、细线、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、____________、纸带、____________、________。

二、实验原理与设计

1．实验思路——控制变量法

(1)探究加速度与力的关系

保持小车________不变，通过改变________________改变小车所受的拉力，测得不同拉力下小车运动的加速度，分析加速度与________的定量关系。

(2)探究加速度与质量的关系

保持小车所受的________不变，通过在小车上________________改变小车的质量，测得不同质量的小车对应的加速度，分析加速度与________的定量关系。

2．物理量的测量

(1)质量的测量：用________测量。在小车中________________可改变小车的质量。

(2)加速度的测量

①方法1：让小车做初速度为0的匀加速直线运动，用__________测量小车移动的位移x，用________测量发生这段位移所用的时间t，然后由a＝计算出加速度a。

②方法2：由纸带根据公式Δx＝aT2结合逐差法计算出小车的加速度。

③方法3：不直接测量加速度，求加速度之比。例如：让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等，测出各自的位移x1、x2，则＝____________，把加速度的测量转换成________的测量。

(3)力的测量

在阻力得到补偿的情况下，小车受到的________等于小车所受的合力。

①在槽码的质量比小车的质量__________时，可认为小车所受的拉力近似等于________________。

②使用力传感器可以直接测量拉力的大小，不需要使槽码的质量远小于小车的质量。

三、实验步骤

1．用________测出小车的质量m，并把数值记录下来。

2．按如图所示的装置把实验器材安装好(小车上先不系细线)。

3．补偿阻力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫上垫木，反复移动垫木位置，启动打点计时器，直到轻推小车使小车在木板上运动时可保持________________运动为止(纸带上相邻点间距相等)，此时小车重力沿木板方向的分力等于打点计时器对小车的阻力和长木板的摩擦阻力及其他阻力之和。

4．把细线绕过定滑轮系在小车上，另一端挂上槽码。保持小车质量不变，改变槽码的个数，以改变小车所受的拉力。处理纸带，测出加速度，将结果填入表1中。

表1　小车质量一定

5.保持槽码个数不变，即保持小车所受的拉力不变，在小车上增减砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，把数据记录在表2中。

表2　小车所受的拉力一定

四、数据处理

1．m一定时，分析加速度a与拉力F的定量关系

由表1中记录的数据，以加速度a为纵坐标，以拉力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a－F图像，如图所示，若图像是一条__________________，就能说明a与F成正比。

2．分析加速度a与质量m的定量关系

由表2中记录的数据，以a为纵坐标，以为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a－图像，如图所示。若图像是一条__________________，说明a与成____，即a与m成________。

3．实验结论

(1)保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受拉力F成________。

(2)保持拉力F不变时，物体的加速度a与质量m成________。

五、误差分析

1．系统误差：本实验中用槽码的重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要____槽码的重力)

2．偶然误差

(1)质量的测量

(2)打点间隔、距离的测量

(3)倾斜角度不当，补偿阻力不足或过度

六、注意事项

1．补偿阻力：在补偿阻力时，________(填“需要”或“不要”)把悬挂槽码的细线系在小车上，即不要给小车施加任何牵引力，并要让小车________________运动。

2．质量关系：每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量__________槽码的质量的条件下打出。只有如此，小车受到的拉力才可视为等于槽码的重力。

3．打点计时器的位置：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量________打点计时器，并应先________________，再________________，且应在小车到达滑轮前______小车。

4．作图规则：作图像时，要使尽可能多的点落在所作直线上，不在直线上的点应尽可能均匀分布在直线两侧，离直线较远的点________________。

例1　在研究作用力F一定时，小车的加速度a与小车(含砝码)质量M的关系的实验中，某同学安装的实验装置和设计的实验步骤如下：

A．用天平称出小车和槽码的质量

B．按图安装好实验器材

C．把细绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂槽码

D．将电磁打点计时器接在6 V电压的蓄电池上，启动电源，释放小车，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

E．保持槽码的质量不变，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

F．分析每条纸带，测量并计算出加速度的值

G．作a－M关系图像，并由图像确定a与M的关系

(1)请改正实验装置图中的错误。

①电磁打点计时器位置________；②小车位置__________；③滑轮位置____________。

(2)该同学漏掉的重要实验步骤是________，该步骤应排在步骤________之后。

(3)在上述步骤中，有错误的是步骤______，应把________________改为____________。

(4)在上述步骤中，处理不恰当的是步骤__________，应把________________改为______________。

例2　某同学用如图所示的实验装置探究小车的加速度a与质量m的关系。所用交变电源的频率为50 Hz。

(1)如图是他某次实验得到的纸带，每两个计数点间有四个点未画出，部分实验数据如图所示。则小车的加速度是________ m/s2。

(2)保持小车所受的拉力不变，改变小车质量m，分别测得不同质量时小车加速度a的数据如表所示。请在如图所示的坐标纸中作出a－图像。根据a－图像可以得到的实验结论是____________________________________________。

例3　如图甲所示为某同学研究物体加速度与力和质量关系的实验装置示意图，图乙是该装置的俯视图。两个相同的小车，放在水平桌面上，前端各系一条轻细绳，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘里可放砝码。两个小车通过细绳用黑板擦固定，抬起黑板擦，小盘和砝码牵引小车同时开始做匀加速直线运动，按下黑板擦，两小车同时停止运动。实验中补偿阻力后，可以通过在小盘中增减砝码来改变小车所受的合力，也可以通过增减小车上的砝码来改变小车的总质量。该同学记录的实验数据如下表所示，则下列说法中不正确的是________。

A．研究小车的加速度与合外力的关系可以利用第1、2、3三次实验数据

B．研究小车的加速度与小车总质量的关系可以利用第2、3、6三次实验数据

C．研究小车的加速度与小车总质量的关系可以利用第4、5、6三次实验数据

D．可以通过比较两个小车的位移来比较两个小车的加速度大小