1、学年高中物理 第四章 牛顿运动定律 2 实验探究加速度与力质量的关系学案 新人教版必修12实验：探究加速度与力、质量的关系学科素养与目标要求科学探究：1.学会用控制变量法研究物理规律.2.会测量加速度、力和质量，能作出物体运动的aF、a图象.3.会通过实验探究加速度与力、质量的定量关系一、实验器材小车、砝码、砝码盘、细绳、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、天平二、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，改变砝码盘内砝码的质量，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)保持砝码盘中砝码的质量不变，即保持作用力
2、不变，改变研究对象即小车的质量，测出小车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方法近似法本实验的研究对象：小车(装置如图1所示)图1(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：在砝码盘和砝码的总质量远小于小车质量的情况下，可以认为砝码盘和砝码的总重力近似等于小车所受的拉力(合外力)(3)加速度的测量：由纸带根据公式xaT2，结合逐差法计算出小车的加速度三、实验步骤1用天平测出小车的质量M，并把数值记录下来2按如图2所示的装置把实验器材安装好(小车上先不系绳)图23平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块，反复移动木块位
3、置，启动打点计时器，直到轻推小车使小车在斜面上运动时可保持匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等)4在砝码盘里放入适量的砝码，用细绳绕过定滑轮系在小车上，在小车上加放适量的砝码，用天平测出砝码盘和砝码的质量m，记录下来接通电源，放开小车，待打点计时器在纸带上打好点后取下纸带，并设计表格如下表1次数123456小车加速度a/(ms2)砝码盘和砝码的质量m/kg拉力F/N5.保持小车的质量不变，改变砝码和砝码盘的质量，按步骤4再做5次实验6用公式xaT2求得小车的加速度a，并记录到表格中7保持砝码和砝码盘的质量不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，把数据记录到下面的表格中表2次
4、数123456小车加速度a/(ms2)小车质量M/kg/kg18.整理实验器材，结束实验四、数据处理1.研究加速度a和力F的关系由表1中记录的数据，以加速度a为纵坐标，力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出图象，如图3所示，若图象是一条通过原点的直线，就能说明a与F成正比图32研究加速度a与质量M的关系由表2中记录的数据，以a为纵坐标，分别以M和为横坐标，根据数据作aM图象和a图象(如图4所示)，分析a与M的关系若a图象是一条过原点的直线，说明a与成正比，即a与M成反比图43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成反比五、注
5、意事项1打点前小车应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(填“要”或“不要”)悬挂砝码盘，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改变砝码的质量的过程中，要始终保证砝码和砝码盘的质量远小于小车的质量4作图时应使所作的直线通过尽可能多的点，不在直线上的点也要尽可能地均匀分布在直线的两侧，个别偏离较远的点应舍去.一、实验原理与实验操作例1用如图5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(含砝码)质量M的关系，某同学设计的实验步骤如下：图5A用天平称出小车和小桶及内
6、部所装沙子的质量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6V电压的蓄电池上，接通电源，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保持小桶及桶内沙子的质量不变，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F分析每条纸带，测量并计算出加速度的值G作aM图象，并由图象确定a与M的关系(1)该同学漏掉的重要实验步骤是_，该步骤应排在步骤_之后(2)在上述步骤中，有错误的是步骤_，应把_改为_(3)在上述步骤中，处理不恰当的是步骤_，应把_改为_答案(1)平衡摩擦力B(2)D6V电压的蓄电池6V以下的交流电源(3)GaM图象a图
7、象解析实验中把小桶及桶内沙子的重力之和看成与小车所受拉力大小相等，没有考虑摩擦力，故必须平衡摩擦力且应排在步骤B之后电磁打点计时器接在6V电压的蓄电池上将无法工作，必须接在6V以下交流电源上作aM图象，得到的是曲线，很难进行正确的判断，必须“化曲为直”，改作a图象二、实验数据处理例2某同学设计了一个“探究加速度a与物体所受合力F及物体质量m的关系”的实验，图6所示为实验装置简图(交流电源的频率为50Hz)图6(1)图7所示为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为_m/s2.(结果保留两位有效数字)图7(2)保持沙和沙桶的质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m及对应
8、的，数据如下表.序号12345678小车加速度a/(ms2)1.901.721.491.251.000.750.500.30小车质m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.67/kg14.003.453.032.502.001.411.000.60请在图8甲所示的坐标纸中画出a图线，由图线可得小车的加速度a与质量的倒数之间的关系式为_图8(3)保持小车的质量不变，改变沙和沙桶的质量，该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F变化的图线，如图乙所示该图线不通过原点，其主要原因是_答案(1)3.2(2)见解析图a(3)实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足解析(1)在连续相
9、等的时间间隔内，从纸带上可得到四段位移，因此可以用逐差法计算加速度已知x16.19cm，x26.70cm，x37.21cm，x47.72cm，电火花计时器的计时周期T0.02s由逐差法可得x3x12a1(2T)2，x4x22a2(2T)2故a3.2m/s2.(2)在a坐标系中描点连线，得a图线如图所示，得a.(3)由aF图线可知，F增大到某一值时小车开始有加速度，说明实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足三、创新实验设计例3某实验小组利用如图9所示的实验装置来探究当合外力一定时，物体运动的加速度与其质量之间的关系(1)已知两个光电门中心之间的距离x24cm，遮光条的宽度d0.52cm.该实验小
10、组在做实验时，将滑块从如图所示位置由静止释放，由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间t1，遮光条通过光电门2的时间t2，则滑块经过光电门1时的瞬时速度的表达式v1_，滑块经过光电门2时的瞬时速度的表达式v2_，则滑块的加速度的表达式a_.(以上表达式均用字母表示)图9(2)在本次实验中，实验小组通过改变滑块质量总共做了6组实验，得到如表所示的实验数据，通过分析表中数据，你得出的结论是_m/g250300350400500800a/(ms2)2.021.651.331.251.000.63/kg14.003.332.862.502.001.25(3)现需通过图象进一步验证你的结论，请利用表
11、格数据，在图10坐标系中描点并作出相应的图象图10答案(1)(2)在合外力不变的情况下，物体运动的加速度跟物体的质量成反比(3)见解析图解析(1)遮光条的宽度很小，遮光条通过光电门的时间极短，遮光条在极短时间内的运动可看成匀速运动遮光条从光电门2到光电门1是匀加速运动(2)当合外力一定时，在误差允许的范围内，物体质量和加速度的乘积近似相等(3)如图所示在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，为减小实验误差，可以从以下几个方面进行创新改进：1用气垫导轨替代长木板利用气垫导轨替代长木板做此实验时，不需要平衡摩擦力，其他实验步骤不变2利用光电门测加速度利用光电门测出滑块通过G1、G2的速度v1、v2
12、，由v22v122ax求出加速度3利用位移传感器测位移由于a，如果测出两个初速度为零的匀加速直线运动在相同时间内发生的位移x1、x2，则位移之比等于加速度之比，即.1利用如图11所示的装置探究加速度与力、质量的关系，下列说法中正确的是()图11A保持小车所受拉力不变，只改变小车的质量，就可以探究加速度与力、质量的关系B保持小车质量不变，只改变小车的拉力，就可以探究加速度与力、质量之间的关系C先保持小车所受拉力不变，研究加速度与力的关系；再保持小车质量不变，研究加速度与质量的关系，最后归纳出加速度与力、质量的关系D先保持小车质量不变，研究加速度与力的关系；再保持小车受力不变，研究加速度与质量的关
13、系，最后归纳出加速度与力、质量的关系答案D2(多选)在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，关于平衡摩擦力的说法中正确的是()A平衡摩擦力的本质就是使小车受到的摩擦力为零B平衡摩擦力的本质就是使小车所受的重力沿斜面方向的分力与所受到的摩擦阻力相平衡C平衡摩擦力的目的就是要使小车所受的合力等于所挂钩码通过细绳对小车施加的拉力D平衡摩擦力是否成功，可由小车拖动由打点计时器打出的纸带上的点迹间距是否均匀而确定答案BCD解析小车所受的摩擦力不可避免，平衡摩擦力的本质就是使小车的重力沿斜面方向的分力与小车所受的摩擦阻力相平衡，A错误，B正确；其目的是使小车所受的合力等于细绳对小车的拉力，C正确；恰好平
14、衡摩擦力时，小车拖动纸带，不给小车提供拉力，给小车一个初速度，小车做匀速直线运动，由打点计时器打出的纸带点迹间距应该是均匀的，D正确3(2019黄石市高一上学期期末)(1)在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，某同学组装了如图12所示的装置图12图示实验装置中除未平衡摩擦力外，还有一处错误是_；关于平衡摩擦力的操作过程，下列说法正确的是_(填字母代号)A应将长木板的右端适当垫高B应将重物通过细线与小车相连C应将纸带穿过打点计时器并与小车相连D如果小车能在长木板上保持静止，就表明已经平衡摩擦力(2)图13为某次实验所得的纸带，E点在刻度尺上的读数为_cm，可求出该条纸带的加速度为_m/s2.
15、(结果保留两位有效数字)图13答案(1)拉小车的细绳没有与长木板平行AC(2)3.800.20解析(1)实验要求拉力是平行于长木板方向的，题图中拉小车的细绳没有与长木板平行平衡摩擦力正确的操作：纸带穿过打点计时器并与小车相连，将长木板的右端适当垫高，轻推小车，如果纸带上的点迹均匀分布，说明小车做匀速直线运动，代表摩擦力已经平衡(2)读数为3.80cm.由题图中数据可知CD1.10cm，DE1.30cm，EF1.50cm，FG1.70cm，GH1.90cm，HI2.10cm，则根据xaT2得出a0.20m/s2.4“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图14甲所示图14(1)在平衡小车与长木
16、板之间摩擦力的过程中，打出了一条纸带如图乙所示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，测量并标出相邻计数点之间的距离，该小车的加速度a_m/s2.(2)平衡摩擦力后，将5个相同的砝码都放在小车上挂上砝码盘，然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中，测量小车的加速度小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表：砝码盘中砝码总重力F/N0.1960.3920.5880.7840.980加速度a/(ms2)0.691.181.662.182.70请根据实验数据在图15所示坐标系中作出aF的关系图象图15(3)本实验已正确平衡摩擦力，根据提供的实验数据作出的aF图线不通过原点，主要原因是_答案(1)0.16(2)见解析图(3)计算F时忘记加入砝码盘的重力解析(1)由题意可知计数点间的时间间隔T5T00.1s.由题图乙可知x0.16cm1.6103m，由xaT2可得a0.16m/s2.(2)aF图线如图所示(3)平衡小车与长木板之间的摩擦力后，aF图象仍不通过原点，是由于在计算F时忘记加入砝码盘的重力，使作出的图象向左平移
