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1、實驗四探究加速度與力、質量的關系 一、實驗目的1學會用控制變量法研究物理規(guī)律2驗證牛頓第二定律3掌握利用圖象處理數據的方法二、實驗原理探究加速度a與力F及質量m的關系時，應用的基本方法是控制變量法，即先控制一個參量小車的質量m不變，討論加速度a與力F的關系，再控制小盤和砝碼的質量不變，即力F不變，改變小車質量m，討論加速度a與m的關系三、實驗器材打點計時器、紙帶、復寫紙、小車、一端附有定滑輪的長木板、小盤、夾子、細繩、低壓交流電源、導線、天平、刻度尺、砝碼四、實驗步驟1用天平測出小車和盛有砝碼的小盤的質量m和m.2安裝實驗器材(如圖1所示)圖13平衡摩擦力4小盤繞過滑輪系于小車上，先通電源后放
2、開小車，取下紙帶編號碼5保持小車的質量m不變，改變砝碼和小盤的質量m，重復步驟4.6在每條紙帶上選取一段比較理想的部分，測加速度a.7作aF的圖象，描點作圖，若這些點在一條直線上，證明了加速度與力成正比8保持砝碼和小盤的質量m不變，改變小車質量m，重復步驟4和6，作a圖象，若圖象為一直線，則證明加速度與質量成反比五、實驗數據的處理方法圖象法、化曲為直的方法1探究加速度與力的關系以加速度a為縱坐標，以F為橫坐標，根據測量的數據描點，然后作出圖象，看圖象是否是通過原點的直線，就能判斷a與F是否成正比2探究加速度與質量的關系以a為縱坐標、m為橫坐標，根據各組數據在坐標系中描點，將會得到如圖2甲所示的
3、一條曲線由圖線只能看出m增大時a減小，但a與m具體是什么關系，不能得出若以a為縱坐標，為橫坐標，將會得到如圖乙所示的一條過原點的傾斜直線，據此可判斷a與m成反比圖23方法總結利用圖象處理數據是物理實驗中常用的重要方法在實驗中如果發(fā)現一個量x與另一個量y成反比，那么，x就應與成正比因為在處理數據時，判斷正比例函數圖象比判斷一條曲線是否為反比例函數圖象要簡單和直觀得多，所以可以將反比例函數的曲線轉化為正比例函數的直線進行處理六、注意事項1平衡摩擦力：一定要做好平衡摩擦力的工作，也就是調出一個合適的斜面，使小車的重力沿著斜面方向的分力正好平衡小車受的摩擦阻力在平衡摩擦力時，不要把懸掛小盤的細線系在小
4、車上，即不要給小車加任何牽引力，并要讓小車拖著打點的紙帶運動2不重復平衡摩擦力：實驗步驟2、3不需要重復，即整個實驗平衡了摩擦力后，不管以后是改變小盤和砝碼的總質量還是改變小車的質量，都不需要重新平衡摩擦力3實驗條件：每條紙帶必須在滿足小車的質量遠大于小盤和砝碼的總質量的條件下打出只有如此，小盤和砝碼的總重力才可視為小車受到的拉力4一先一后：改變拉力和小車質量后，每次開始時小車應盡量靠近打點計時器，并應先接通電源，再釋放小車記憶口訣平衡摩擦紙帶掛，小車板上勻速滑；若要盤碼當拉力，其重與車不可比；先通電源后放車，紙帶應選易于測；曲線化直好思想，作圖比例要適當.例1某實驗小組在“探究加速度與物體受
5、力的關系”實驗中，設計出如下的實驗方案，其實驗裝置如圖3所示已知小車質量M214.6 g，砝碼盤質量m07.8 g，所使用的打點計時器交流電頻率f50 Hz.其實驗步驟 是：A按圖中所示安裝好實驗裝置；圖3B調節(jié)長木板的傾角，輕推小車后，使小車能沿長木板向下做勻速運動；C取下細繩和砝碼盤，記下砝碼盤中砝碼的質量m；D先接通電源，再放開小車，打出一條紙帶，由紙帶求得小車的加速度a；E重新掛上細繩和砝碼盤，改變砝碼盤中砝碼的質量，重復BD步驟，求得小車在不同合外力F作用下的加速度回答下列問題：(1)按上述方案做實驗，是否要求砝碼和砝碼盤的總質量遠小于小車的質量？_(填“是”或“否”)(2)實驗中打
6、出的其中一條紙帶如圖4所示，由該紙帶可求得小車的加速度a_ m/s2.圖4(3)某同學將有關測量數據填入他所設計的表格中，如下表，次數12345砝碼盤中砝碼的重力F/N0.100.200.290.390.49小車的加速度a/(ms2)0.881.441.842.382.89他根據表中的數據畫出aF圖象(如圖5)造成圖線不過坐標原點的一條最主要原因是_ _，從該圖線延長線與橫軸的交點可求出的物理量是_，其大小為_圖5例2某實驗小組利用如圖6所示的實驗裝置來探究當合外力一定時，物體運動的加速度與其質量之間的關系圖6(1) 由圖中刻度尺讀出兩個光電門中心之間的距離x24 cm，由圖7中游標卡尺測得遮
7、光條的寬度d_ cm.該實驗小組在做實驗時，將滑塊從如圖6所示位置由靜止釋放，由數字計時器可圖7以讀出遮光條通過光電門1的時間t1，遮光條通過光電門2的時間t2，則滑塊經過光電門1時的瞬時速度的表達式v1_，滑塊經過光電門2時的瞬時速度的表達式v2_，則滑塊的加速度的表達式a_.(以上表達式均用字母表示) (2)在本次實驗中，實驗小組通過改變滑塊質量總共做了6組實驗，得到如表所示的實驗數據通過分析表中數據后，你得出的結論是_.m(g)a(ms2)2502.023001.653501.334001.255001.008000.63(3)現需通過圖象進一步驗證你的結論，請利用表格數據，在如圖8所示
8、坐標系中描點作出相應圖象圖89.近似法、控制變量法、平衡摩擦力法和化曲為直法圖9例3某同學設計了一個“探究加速度a與物體所受合力F及質 量m的關系”實驗如圖9為實驗裝置簡圖，A為小車，B為電火花計時器，C為裝有砝碼的小盤，D為一端帶有定滑輪的長方形木板，實驗中認為細繩對小車拉力F等于砝碼和小盤的總重力，小車運動加速度a可用紙帶上的打點求得圖10(1)圖10為某次實驗得到的紙帶，根據紙帶可求出小車的加速度大小為_ m/s2.(保留兩位有效數字)(2)在“探究加速度與質量的關系”時，保持砝碼和小盤質量不變，改變小車質量m，分別得到小車加速度a與質量m的數據如下表：實驗次數123456789小車加速
9、度a/(ms2)1.981.721.481.251.000.750.480.500.30小車質量m/kg0.250.290.330.400.500.710.751.001.67根據上表數據，為直觀反映F不變時a與m的關系，請在圖11的方格坐標紙中選擇恰當物理量建立坐標系，并作出圖線(如有需要，可利用上表中的空格數據)圖11(3)在“探究加速度與力的關系”時，保持小車的質量不變，改變小盤中砝碼的質量，該同學根據實驗數據作出了加速度a與合力F的關系圖線如圖12所示，該圖線不通過坐標原點，試分析圖線不通過坐標原點的原因圖12答：_.例4為了探究加速度與力的關系，使用如圖13所示的氣墊導軌裝置進行實驗
10、其中G1、G2為兩個光電門，它們與數字計時器相連，當滑行器通過G1、G2光電門時，光束被遮擋的時間t1、t2都可以被測量并記錄滑行器連同上面固定的一條形擋光片的總質量為M，擋光片寬度為D，光電門間距離為s，牽引砝碼的質量為m.回答下列問題：圖13(1)實驗開始應先調節(jié)氣墊導軌下面的螺釘，使氣墊導軌水平，在不增加其他儀器的情況下，如何判定調節(jié)是否到位？答：_.(2)若取M0.4 kg，改變m的值進行多次實驗，以下m的取值不合適的一個是_Am5 g Bm15 gCm40 g Dm400 g(3)在此實驗中，需要測得每一個牽引力對應的加速度，其中求得的加速度的表達式為：_.(用t1、t2、D、s表示
11、)方法提煉在驗證牛頓第二定律實驗中，近似法是指繩對小車的拉力近似等于繩另一端連接的小盤和砝碼的總重力，近似法要在小盤和砝碼的總重力遠小于小車的重力的情況下才能用控制變量法是指分別研究加速度與力、加速度與質量關系時用到的方法，在實驗中的具體體現是：研究加速度與力的關系時，保持小車質量不變；研究加速度與質量的關系時，保持小盤和砝碼的總重力不變平衡摩擦力法是指通過調整斜面傾角，讓小車重力沿斜面的分力與摩擦力抵消，使小車受到的合外力等于繩對小車的拉力，體現在實驗中是讓小車不掛小盤時能在斜面上勻速運動化曲為直法是指處理數據時，不作am圖象而作a圖象，反映在圖象中就是把原來的曲線變成傾斜的直線跟蹤訓練在探
12、究加速度與力、質量的關系活動中，某小組設計了如圖14所示的實驗裝置圖中上下兩層水平軌道表面光滑，兩小車前端系上細線，細線跨過滑輪并掛上砝碼盤，兩小車尾部細線連到控制裝置上，實驗時通過控制裝置使兩小車同時開始運動，然后同時停止圖14(1)在安裝實驗裝置時，應調整滑輪的高度，使_；同時軌道應適當_，使小車在不掛砝碼盤時恰好在軌道上做_，以平衡摩擦力(2)在實驗時，為減小系統(tǒng)誤差，應使砝碼盤和砝碼的總質量_小車的質量(選填“遠大于”、“遠小于”或“等于”)(3)本實驗通過比較兩小車的位移來比較小車加速度的大小，能這樣比較，是因為_. (4)要驗證加速度與力成正比時，應使_相同且不變，而改變_要驗證加
13、速度與質量成反比時，應使_相同且不變，而改變_.1在利用打點計時器和小車來做“探究加速度與力、質量的關系”的實驗時，下列說法中正確的是 ()A平衡摩擦力時，應將砝碼盤及盤內砝碼通過定滑輪拴在小車上B連接砝碼盤和小車的細繩應跟長木板保持平行C平衡摩擦力后，長木板的位置不能移動D小車釋放前應靠近打點計時器，且應先接通電源再釋放小車2“探究加速度與力、質量的關系”的實驗，主要的步驟有：A將一端附有定滑輪的長木板放在水平桌面上，取兩個質量相等的小車，放在光滑的水平長木板上B打開夾子，讓兩個小車同時從靜止開始運動，小車運動一段距離后，夾上夾子，讓它們同時停下來，用刻度尺分別測出兩個小車在這一段時間內通過
14、的位移大小C分析所得到的兩個小車在相同時間內通過的位移大小與小車所受的水平拉力的大小關系，從而得到質量相等的物體運動的加速度與物體所受作用力大小的關系D在小車的后端也分別系上細繩，用一只夾子夾住這兩根細繩E在小車的前端分別系上細繩，繩的另一端跨過定滑輪各掛一個小盤，盤內分別放著數目不等的砝碼，使砝碼盤和盤內砝碼的總質量遠小于小車的質量分別用天平測出兩個砝碼盤和盤內砝碼的總質量上述實驗步驟，正確的排列順序是_3(2020山東理綜23(1)圖15某同學設計了如圖15所示的裝置來探究加速度與力的關系彈簧秤固定在一合適的木板上，桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪，細繩的兩端分別與彈簧秤的掛
15、鉤和礦泉水瓶連接在桌面上畫出兩條平行線MN、PQ，并測出間距d.開始時將木板置于MN處，現緩慢向瓶中加水，直到木板剛剛開始運動為止，記下彈簧秤的示數F0，以此表示滑動摩擦力的大小再將木板放回原處并按住，繼續(xù)向瓶中加水后，記下彈簧秤的示數F1，然后釋放木板，并用秒表記下木板運動到PQ處的時間t.木板的加速度可以用d、t表示為a_；為了減小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是(一種即可) _.改變瓶中水的質量重復實驗，確定加速度a與彈簧秤示數F1的關系下列圖象能表示該同學實驗結果的是 ()用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比，它的優(yōu)點是_a可以改變滑動摩擦力的大小b可以更方便地獲取多組實驗
16、數據c可以比較精確地測出摩擦力的大小d可以獲得更大的加速度以提高實驗精度4(2020江蘇11)圖16為了探究受到空氣阻力時，物體運動速度隨時間的變化規(guī)律，某同學采用了“加速度與物體質量、物體受力關系”的實驗裝置(如圖16所示)實驗時，平衡小車與木板之間的摩擦力后，在小車上安裝一薄板，以增大空氣對小車運動的阻力(1)往砝碼盤中加入一小砝碼，在釋放小車_(選填“之前”或“之后”)接通打點計時器的電源，在紙帶上打出一系列的點(2)從紙帶上選取若干計數點進行測量，得出各計數點的時間t與速度v的數據如下表：時間t/s00.501.001.502.002.50速度v/(ms1)0.120.190.230.
17、260.280.29請根據實驗數據在圖17中作出小車的vt圖象圖17(2) 通過對實驗結果的分析，該同學認為：隨著運動速度的增加，小車所受的空氣阻力將變大，你是否同意他的觀點？請根據vt圖象簡要闡述理由答案課堂探究例1(1)否(2)0.88(3)在計算小車所受的合外力時未計入砝碼盤的重力(只要涉及“未考慮砝碼盤的因素”就算正確)砝碼盤的重力0.08 N (0.070.08 N均正確)例2(1)0.52(2)(3)見解析解析(3)如圖所示例3(1)3.2(2)見解析(3)實驗前未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分 解析(2)從表中數據可以看出，隨著質量的增大，加速度逐漸減小算出的值，從左到右依次是：4
18、.003.453.032.502.001411.331.000.60以橫坐標表示，以縱坐標表示加速度a，描點，可以看到多數點在一條直線上，只有(1.33,0.48)偏離直線較遠，舍去此點，作出圖象如圖所示例4(1)見解析(2)D(3)a解析(1)取下牽引砝碼，滑行器放在任意位置都不移動，或取下牽引砝碼，輕推滑行器M，數字計時器記錄每一個光電門的光束被遮擋的時間t都相等跟蹤訓練(1)細線與軌道平行傾斜勻速運動(2)遠小于(3)兩小車從靜止開始做勻加速直線運動，且兩小車運動時間相等(4)兩小車質量砝碼盤中砝碼質量砝碼盤中砝碼質量兩小車質量隨堂訓練1BCD2.AEDBC3保持F1不變，重復實驗多次測量，求平均值cbc4(1)之前(2)如圖所示(3)同意在v-t圖象中，速度越大時，加速度越小，小車受到的合力越小，則小車受空氣阻力越大
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