高中物理知识全解-6.5-探究加速度与力、质量的关系.doc

高中物理知识全解 6.5 探究加速度与力、质量的关系
①实验目的
1、学会用控制变量法研究物理规律。
2、验证牛顿第二定律。
3、掌握利用图象处理数据的方法。
②实验原理
控制变量法：
1、保持小车质量一定时，改变小车受力测出加速度，用图象法研究与的关系。
2、保持一定时，改变小车质量测出加速度，用图象法研究与的关系。
③实验器材
一端附有滑轮的长木板、小车、细线和小盘、天平、砝码、打点计时器、学生电源、纸带、刻度尺
④实验步骤
1、探究与的关系。
⑴用天平测出小车和小盘的质量和把数值记录下来。
⑵按下图实验装置把实验器材安装好，使长木板有滑轮的一端伸出桌面。

⑶在长木板不带定滑轮的一端下面垫一小木块，通过前后移动，来平衡小车的摩擦力。
⑷把细线系在小车上并跨过定滑轮，此时要调节定滑轮的高度使细线与木板平行。
⑸将小车放于靠近打点记时器处，在小盘内放上砝码(5g)，接通电源，放开小车得到一打好点的纸带（注意不要让小车撞到定滑轮，打好的纸带要标明条件即小车的质量，小盘的质量及砝码的质量）。
⑹保持小车的质量不变，改变小盘内砝码的质量(10g、15g、20g、25g)，再做几次实验。
⑺在每条纸带上都要选取一段比较理想的部分，算出每条纸带的加速度。
⑻把各次实验中的数据填入表一内，作用力的大小认为等于小盘和砝码的重力，作出的图象。
表一： = Kg
次数

F
与F的关系
1

2

3

4

5

实验结论：如果图象中的点在一条过原点的直线上，则说明与成正比，如果不是这样，则需进一步分析。【在实验误差允许的范围内：】
2、探究与的关系。
在上述实验装置的基础上保持小盘内砝码质量不变，在小车上放砝码改变小车的质量（分别加50g、100g、150g、200g），重复上面的实验。把各次实验中的数据填入表二内，作出图象。
注意：不要作图象，因为根据图象很难确定其图线函数关系，从图象上看可能“与成反比”，但也可能是“以与成反比”，甚至是更复杂的关系。因此我们可以作图象，如果图象中的点在一条过原点的直线上，则说明与成正比即与成反比。
拓展：这里我们已经假设加速度与质量成反比，如果当初假设的是加速度与质量的二次方成反比，则要作图象而后进行分析得出关系。
表二： = N
次数

1

2

3

4

5

⑤注意事项
1、平衡摩擦力时不要挂小盘，小车应连着纸带且通过打点记时器的限位孔。
2、调节木板上的滑轮使拉小车的细线要与长木板平行。
3、不要让小车撞到定滑轮。
4、起始小车应靠近打点计时器处，且先接通电源待打点计时器工作稳定后再释放小车。
5、要使砝码和小盘的总质量远小于小车和车上砝码的总质量，这样才可以认为绳子对小车的拉力大小等于小盘与砝码的重力大小。
设砝码和小盘的总质量为，小车和车上砝码的总质量为，由实验原理：
，而实际，因此要使，则需<<。如果过大或过小，造成不远小于，则作出来的图象和图象将不呈线性关系。
例：在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，若不远小于，保持不变，则小车的图象大致如右图一所示。因为开始时，较小，基本满足<<，故实验误差小，所以前面一段图线几乎是直线；但是随着的增大，就不再满足<<，实验误差大，同一下产生的实际加速度小于，故后面的图线为向下弯曲的曲线。
【例题】如下图一为“用DIS（位移传感器、数据采集器、计算机）研究加速度和力的关系”的实验装置。

（1）在该实验中必须采用控制变量法，应保持___________不变，用钩码所受的重力作为___________，用DIS测小车的加速度。
（2）改变所挂钩码的数量，多次重复测量。在某次实验中根据测得的多组数据可画出a-F关系图线（如右图二所示）
①分析此图线的OA段可得出的实验结论是_____________________。
②（单选题）此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是（ ）
（A）小车与轨道之间存在摩擦 （B）导轨保持了水平状态
（C）所挂钩码的总质量太大 （D）所用小车的质量太大
解：（1）小车的总质量，小车所受外力
（2）①在质量不变的条件下，加速度与外力成正比；②由实验原理：得，而实际上，可见AB段明显偏离直线是由于没有满足<<造成的。答案：C
拓展：在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，保持不变，若小车的图象为不过原点的直线，如下图所示，则可能原因是：

例：在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，若不远小于，保持拉力不变，则小车的图象大致如右图一所示。因为开始时，较小，基本满足<<，故实验误差小，所以前面一段图线几乎是直线；在图象中某点与原点连线的直线的斜率表示所受到的合外力，随着的增大，减小，不再满足<<，实验误差大，所受到的合外力小于，所以后面的图线随着的增大各点与原点连线的直线的斜率逐渐变小，故后面的图线为向下弯曲的曲线。
注意：小车的加速度不可以通过来计算，必须由小车后面拉过的纸带的信息来求出。
拓展：其实，在这个实验中也可以不测加速度的具体数值，这是因为我们探究的是加速度与其它量之间的比例关系。若，由得：，在时间相同的情况下，则：。所以不测量加速度的具体数值，在初速度为零的条件下，等时间内位移和加速度成正比，只要探究位移和力、质量的比例关系就可以知道加速度和力、质量的比例关系。
【例题】在“探究加速度与力､质量的关系”时,某小组设计双车位移比较法来探究加速度与力的关系.实验装置如下图所示,将轨道分上下双层排列,两小车后的刹车线穿过尾端固定板,由安装在后面的刹车系统同时进行控制(未画出刹车系统).通过改变砝码盘中的砝码来改变拉力大小，数据如表中所示：

(1)通过比较两小车的位移来比较两小车的加速度大小,是因为位移与加速度的关系式为_____________。
(2)该装置中的刹车系统的作用是__________________________________________。
(3)分析表中数据可得到结论:_________________________________________。
(4)为了减小实验的系统误差,你认为还可以进行哪些方面的改进?(只需提出一个建议即可)
1、质量的测量误差，纸带上打点间隔距离的测量误差，拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差
2、因实验原理不完善造成误差：本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力)，存在系统误差．小盘和砝码的总质量越接近小车的质量，误差就越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，误差就越小。
3、平衡摩擦力不准造成误差：在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其它的都跟正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器)，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的距离相等。

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