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  • 2021-05-24 发布

知识讲解实验:探究加速度与力、质量的关系

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实验:探究加速度、力、质量之间的关系 【学习目标】 1.掌握在研究三个物理量之间关系时,常用的控制变量法 2.理解物体的加速度大小与力有关,也与质量有关 3.通过实验探究加速度与力和质量的定量关系 4.根据原理去设计实验,处理实验数据,得出结论 5.会分析数据表格,利用图象寻求物理规律 【要点梳理】 要点一、怎样测量(或比较)物体的加速度 1.物体做初速为 0 的匀加速直线运动,测量物体加速度最直接的办法就是用刻度尺测量位移并用秒表测 量时间,由公式 2 2xa t  算出加速度。 2.可以在运动物体上连一条纸带,通过打点计时器打点来测量加速度。 3.也可以不测加速度的具体数值,而测不同情况下(即不同受力时、不同质量时)物体加速度的比值。 根据 2 2xa t  ,测出两初速度为 0 的匀加速运动在相同时间内发生的位移 x1、x2,位移比就是加速度之比, 即 1 1 2 2 a x a x  。 要点二、怎样提供和测量物体所受的恒力 在现实中,仅受一个力的情况几乎是不存在的。一个单独的力的作用效果与跟它大小、方向都相同的 合力的作用效果是相同的,因此,在实验中我们只要测出物体所受的合力即可。如何为运动的物体提供一 个恒定的合力?又如何测出这个合力呢? 可以在绳的一端挂钩码,另一端跨过定滑轮拉物体,使物体做匀加速运动的力就是物体的合力,这个 合力等于钩码的重力。通过测量钩码的重力就可测得物体所受的合力。 要点三、平衡摩擦力 依据上面的方案中做匀变速运动的物体,受的合力并不等于钩码的重力。这是由于物体在相对运动, 还要受到滑动摩擦力。 如何减小滑动摩擦力,使我们所测得的钩码重力尽可能接近于物体所受的合力? ①使用光滑的木板; ②平衡滑动摩擦力。将木板一端垫高,让物体从木板上匀速滑下,此时物体的重力分力就等于物体所受的 摩擦力。 ③平衡摩擦力后,当小车的质量发生改变时,不用再平衡摩擦力。这是由于 sin cosmg mg   ,等式 的两边质量可以抵消,即与物体的质量大小没有关系。 要点四、如何处理实验数据 本实验的数据处理可以采用计算法和图象法两种不同的方法: 1.计算法 测得加速度或加速度之比(等于位移之比)后,通过计算看看是否满足 2 1 2 1 F F a a  、 1 2 2 1 m m a a  2.图象法 测得加速度后,用拉力 F 为横坐标,加速度 a 为纵坐标,描绘 a—F 图象,看看图象是否为过原点的 倾斜直线;用 m 1 为横坐标,加速度 a 为纵坐标,描绘 a— m 1 图象,看看图象是否为过原点的倾斜直线。 或者在测得加速度之比(等于位移之比)后,用两车拉力之比 F2/F1 为横坐标,两车位移之比 x2/x1 表示加 速度之比 a2/a1 为纵坐标,描绘 a—F 图象,看看图象是否为过原点的倾斜直线;用 m1/m2 为横坐标,加速度 a2/a1 为纵坐标,描绘 a— m 1 图象,看看图象是否为过原点的倾斜直线。 要点五、实验注意事项 1.牵引小车的砝码应有 10g、20g、50g 等规格。没有小规格砝码,可用沙桶装沙替代,质量用天平称量。 2.探究加速度与力的关系:小车质量为 200g,两车上面均可加 100g 左右的砝码。保持其中一个小车所挂 砝码不变(如 20g),另一小车所挂砝码逐渐加大,但不要过大。砝码质量过大,会使图象线性变差。 3.探究加速度与质量的关系:一车质量固定为 300g,另一车质量可自 200g 起,逐次增加砝码至 700g ~ 800g 。牵引小车的砝码以30g ~ 40g 为宜。小车质量过大,夹子不容易夹住车后拖线,造成位移 误差。 4.小车后所系线绳要用适当粗些的棉绳,当夹子夹住线绳时不会滑动。如果用表面较光滑的尼龙绳,当 夹子闭合时线绳还会被小车拖一段距离才会停住。解决的办法可在尼龙绳上擦一些松香,以增大线绳与夹 子之间的摩擦力。 5.选择口宽、弹力大的夹子,使夹子张开和闭合动作要迅捷有力。动作缓慢,会使某些夹子张开夹口时 两侧张开的程度不一样,张开较小的一侧所控制的小车拖绳受阻,影响到小车运动。 6.注意小车运动停止的位置不能与定滑轮相碰。实验中如果小车碰到定滑轮才松手让夹子夹住拖线,则 与定滑轮相碰的小车位移偏小而产生误差。 要点六、实验误差分析 1. 因实验原理不完善引起的误差. 本实验用砂和砂桶的总重力 (m M )g  代替小车的拉力,而实际小车所受的拉力要小于砂和砂桶的总 重力.砂和砂桶的总质量越接近小车和砝码的总质量,误差越大;反之,砂和砂桶的总质量越小于小车和 砝码的总质量,由此引起的误差就越小.因此,满足砂和砂桶的总质量 m 远小于小车和砝码的总质量 M 的目的就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差.此误差可因 m M≪ 而减小,但不可能消除此误 差.证明如下: 小车和砂桶的受力情况如图所示. 对小车: F Ma , ① 对砂桶: mg F ma  , ② 解得: 1 Mmg mgF mM m M    . 可见当时 m M≪ 时, F mg . 【说明】上面的证明在这里讲的目的,旨在使同学们懂得为什么实验中要 m M≪ ,不要求同学们会 处理这类问题.这个问题在学完本章后来体会就更好. 2.平衡摩擦不准造成误差. 实验原理中设定为光滑水平面情形,所以实验中应平衡摩擦力,若未平衡摩擦力或平衡不当就会带来 系统误差. ①如出现图(甲)中①的直线,说明平衡摩擦力时,平衡过大了.即拉力 F=0 时,已产生加速度,其 加速度是由多余重力的分力形成的. 出现图(甲)中②的直线,说明平衡摩擦力不够,因为拉力大于 F0 时才产生加速度. ②出现图(乙)中①②直线的原因分析如下: 平衡摩擦力后,小车在木板上的受力应有 F mgsin mgcos ma   = (*),其中 F 为绳拉力,θ为木 板与水平面间的夹角. 若未平衡摩擦力,则θ=0,(*)式为 F mg ma = ,F 一定,只有 m 小到一定程度,即 1 m 大到一定 程度,才有 F mg 0 > ,才能产生加速度.由图(乙)知,②线为未平衡摩擦造成的误差. 若平衡摩擦过大,小车在木板上的受力应有 F mgsin mgcos ma   = ,当 1 0m  ,即 m   时, 式中 F 作为小量,可略去,将(*)式整理得 a g(sin cos )  = ,说明①线为平衡摩擦力过大造成的误差. 【说明】平衡摩擦力时不要挂重物,整个实验平衡了摩擦力后,不管以后是改变小盘和砝码的质量还 是改变小车和砝码的质量,都不需要重新平衡摩擦力. 3.实验操作造成的误差 质量测量不准确、计数点间的间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差. 【典型例题】 类型一、对控制变量法的理解 例 1.利用如图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( ) A.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系,最 后归纳出加速度与力、质量的关系 【答案】D 【解析】对于加速度与力、质量的关系,应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系,最后归纳出加速度与力、质量的关系。 【总结升华】控制变量法就是控制某一物理量,研究剩余量之间的关系,它是研究多个变量常用的方 法。 举一反三 【变式】在“探究加速度与力、质量的关系”的实验时: (1)我们已经知道,物体的加速度(a)同时跟合外力(F)和质量(m)两个因素有关。要研究这三个物 理量之间的定量关系的基本思路是 ; (2)小薇同学想用砂和砂桶的重力表示小车受到的合外力,为了减少这种做法而带来的实验误差,你认 为在实验中还应该采取的两项措施是: a. ______________________________;b. ____________________________ 。 (3)小薇同学利用实验中打出的纸带求加速度时,处理方案有两种:a.利用公式 2 2 t sa  计算;b.根据 2T sa  利用逐差法计算。两种方案中,你认为选择方案_________比较合理,而另一种方案不合理的理由 是_________________________________________。 【答案】(1)先保持 m 不变,研究 a 与 F 的关系,再保持 F 不变,研究 a 与 m 的关系; (2)a.把木板的末端垫起适当高度以平衡摩擦力; b.砂和桶的质量远小于小车质量; (3)b;纸带开始一段的点分布密集,位移的测量误差大 类型二、对实验操作的考查 例 2.在利用打点计时器探究加速度与力、质量关系的实验中,以下做法正确的是:( ) A. 平衡摩擦力时,应将重物用细绳通过定滑轮系在小车上 B. 每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力 C. 实验时,先放开小车,后接通电源 D.“重物的质量远小于小车的质量”这一条件如不满足,对探究过程也不会产生影响 【答案】B 【解析】平衡摩擦力时,不把悬挂重物用细绳通过定滑轮系在小车上,即不对小车施加拉力。在木板 无滑轮的一端下面垫一薄木块,反复移动其位置,直到拖在小车后面的纸带上打出的点距均匀为止。设木 板的倾角为θ,则平衡摩擦力后有 mgsin mgcos   ,即 arctan  ,θ与小车的质量无关,故每次 改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力。实验时,应先接通电源,待打点计时器工作稳定后再放开小 车。实验要求重物的质量远小于小车的质量,因为只有这样,重物的重力才近似等于细绳对小车的拉力。 【总结升华】 注意实验条件、平衡摩擦力的目的和做法,以及打点计时器的规范操作。 举一反三 【变式】在探究“加速度与力、质量的关系”的活动中:某同学在接通电源进行实验之前,将实验器 材组装如图所示。请你指出该装置中的错误或不妥之处: 。 小车 开关 打点计时器 干电池沙桶 纸带 【答案】打点计时器不应使用干电池,应使用交流电源; 实验中没有平衡小车的摩擦力; 小车初始位置离打点计时器太远 类型三、对图象的考查 例3.在“探究加速度与力、质量的关系”这一实验中,有两位同学通过测量,分别作出a一F图象, 如图(a)(b)中的A、B线所示;试分析: (1) A线不通过坐标原点的原因是 ; (2) B线不通过坐标原点的原因是 。 a O F (a) a O F (b) A B 【答案】(1) A线在F轴上有一定的截距,表明F达到一定的值后小车才开始有加速度,这是没有平 衡摩擦力,或平衡摩擦力不够引起的。 (2) B线在a轴上有一定的截距,表明F为0,即不加F时小车已经有了一定的加速度,这是平衡摩擦 力时木板倾角θ太大,即平衡摩擦力过度引起的。 【总结升华】从图线在坐标轴上截距的物理意义着手分析。运用图象分析实验误差原因,这是实验探 究中一项很重要的能力。 举一反三 【变式】某同学做探究加速度与力、质量的关系的实验,在平衡摩擦力时把木板的一端垫得过高,所 得的 a-F 图象为下图中的:( ) F a O A F a O C F a O DF a O B 【答案】C 【解析】由于木板的一端垫得过高,当拉力为零时就有一加速度. D 项应该是当已经有一不为零的拉 力时加速度为零,表示平衡摩擦力时木板的一端垫得过低了,或将有滑轮的一端垫了起来。 【高清课程:牛顿运动定律实验专题 例 2】 【变式 2】做“验证牛顿第二定律”实验,甲同学根据实验数据画出的小车的加速度 a 和小车所受拉 力 F 的图像为图中的直线Ⅰ,乙同学画出的 a—F 图像为下图中的直线Ⅱ.直线Ⅰ、Ⅱ在纵轴或横轴上的 截距较大,明显超出了误差范围,下面给出了关于形成这种情况原因的四种解释,其中可能正确的是( ) A、实验前甲同学没有平衡摩擦力; B、甲同学在平衡摩擦力时,把长木板的末端抬得过高了; C、实验前乙同学没有平衡摩擦力; D、乙同学在平衡摩擦力时,把长木板的末端抬得过高了. 【答案】BC 类型四、对数据的处理 例 4.某同学利用实验装置研究 a 与 F 之间的关系,测得小车的加速度 a 和拉力 F 的数据见下表: F/N 0.20 0.30 0.40 0.50 2/(m s )a  0.10 0.21 0.29 0.40 (1)根据表中数据在图(甲)中画出 a-F 的图线; (2)结合实验装置,说明图线不过原点的原因是什么?如何进行改正? 【答案】(1)根据表中数据在坐标系中描点,并用一条直线来拟合这些点,如图(乙)所示. (2)图线与 F 轴交于 0.1 N 处,说明拉力 F 小于 0.1 N 时,小车静止不动(a=0),这是由于实验中未 平衡摩擦力或平衡摩擦力时斜面倾角过小造成的,应增大斜面倾角. 【解析】实验中我们认为小盘和砝码的重力等于小车所受的合力,没有考虑摩擦阻力对小车运动的影 响,所以实验中如果未平衡摩擦力或平衡摩擦力不当都将导致 a-F 图线不过原点. 举一反三 【变式 1】某同学在实验中保持拉力不变,得到了小车加速度随质量变化的一组数据,如表所示: 请在图中方格纸中建立合适坐标,并画出能直观反映出加速度与质量关系的图线. 【解析】a 与 m 成反比实际上就是 a 与 1 m 成正比,以 a 为纵坐标.以 1 m 为横坐标建立坐标系,选取 适当的标度,描出坐标点,连线得到图象如图所示. 【高清课程:牛顿运动定律实验专题 例 4】 【变式 2】某同学采用如图所示的装置验证规律:“物体质量一定,其加速度与所受合力成正比”。 ①该同学是采用 v-t 图象来求加速度的。图中为实验中打出的一条纸带的一部分,纸带上标出了连 续的 3 个计数点,依次为 B、C、D,相邻计数点之间还有 4 个计时点没有标出。打点计时器接在频率为 50Hz 的交流电源上。打点计时器打 C 点时,小车的速度为 m/s; ② 其余各点的速度都标在了 v-t 坐标系中,如图所示。t=0.10s 时,打点计时器恰好打 B 点。请你 将①中所得结果标在如图所示的坐标系中,并作出小车运动的 v-t 图线;利用图线求出小车此次运动的 加速度 a = _______m/s2; ③ 最终该同学所得小车运动的 a-F 图线如图所示,从图中我们看出图线是一条经过原点的直线。根 据图线可以确定下列说法中不正确的是( ) A.本实验中小车质量一定时,其加速度与所受合力成正比 B.小车的加速度可能大于重力加速度 g C.可以确定小车的质量约为 0.50kg D.实验中配重的质量 m 远小于小车的质量 M 【答案】 0 44cv . m / s 20 98a . m / s B