邢臺(tái)市育才中學(xué)高中物理一學(xué)案：實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精學(xué)必求其心得，業(yè)必貴于專精第四章4.2實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系編號：4.2一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．學(xué)會(huì)用控制變量法研究物理規(guī)律．2．探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系．3．掌握利用圖象處理數(shù)據(jù)的方法．二、實(shí)驗(yàn)原理采用控制變量法:1．保持物體質(zhì)量m不變，探究加速度a與力F的關(guān)系．2．保持物體所受的力相同，探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系．三、實(shí)驗(yàn)器材一端附有定滑輪的長木板；小車;帶小鉤的細(xì)繩；沙子和小桶；打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；紙帶及復(fù)寫紙片;刻度尺;低壓交流電源、導(dǎo)線；砝碼;天平（帶有一套砝碼)四、實(shí)驗(yàn)步驟1．用天平測出小車和小桶的質(zhì)量M和m桶，把數(shù)值記錄下來．2．按圖4－2－1所示把實(shí)驗(yàn)器材安裝好，只是不把懸掛小桶的細(xì)繩系在小車上（即不給小車加牽引力）．.3．平衡摩擦力．4．把細(xì)繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛小桶,先接通電源再放開小車,取下紙帶，在打點(diǎn)紙帶上標(biāo)上紙帶號碼．5．保持小車的質(zhì)量不變，在小桶內(nèi)放入質(zhì)量為m′的沙，重復(fù)步驟4，在小桶內(nèi)放入質(zhì)量為m″、m、……的沙,再重復(fù)4,m′、m″、m、……的數(shù)值都要記錄在紙帶上（或表格內(nèi)）．6．在每條紙帶上都選取一段比較理想的部分，按“測定勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度"實(shí)驗(yàn)中的方法算出每條紙帶的加速度a.7．用縱坐標(biāo)表示加速度,橫坐標(biāo)表示力,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在坐標(biāo)平面上畫出相應(yīng)的點(diǎn)．若這些點(diǎn)在一條直線上，便證明了加速度與作用力成正比,即eq\f（a1,a2)＝eq\f（F1，F(xiàn)2）或a∝F。8．保持沙和小桶的質(zhì)量不變，在小車上依次加砝碼(也需做好記錄)，重復(fù)上述步驟4和步驟6。用縱坐標(biāo)表示加速度，橫坐標(biāo)表示小車及砝碼總質(zhì)量的倒數(shù)，在坐標(biāo)平面上根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果畫出相應(yīng)的點(diǎn)．如果這些點(diǎn)是在一條直線上，就證明加速度與質(zhì)量成反比,即eq\f(a1，a2)＝eq\f(m2，m1)或a∝eq\f(1，m).五、注意事項(xiàng)1．平衡摩擦力時(shí)不要掛重物，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后，不管以后是改變盤和砝碼的質(zhì)量還是改變小車及砝碼的質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力．2．實(shí)驗(yàn)中必須滿足小車和砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤和砝碼的總質(zhì)量．只有如此，砝碼和小盤的總重力才可視為與小車受到的拉力相等．3．作圖象時(shí),要使盡可能多的點(diǎn)在所作直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)．離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，可舍去不予考慮．4．小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器且先接通電源再放手.【學(xué)習(xí)任務(wù)】一、實(shí)驗(yàn)原理和注意的問題例1在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，下列說法中正確的是(）A．平衡摩擦力時(shí)，托盤應(yīng)用細(xì)線通過定滑輪系在小車上，但托盤內(nèi)不能裝砝碼B．實(shí)驗(yàn)中無需始終保持小車和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于托盤和砝碼的質(zhì)量C．實(shí)驗(yàn)中如用縱坐標(biāo)表示加速度，用橫坐標(biāo)表示小車和車內(nèi)砝碼的總質(zhì)量，描出相應(yīng)的點(diǎn)在一條直線上時(shí)，即可證明加速度與質(zhì)量成反比D．平衡摩擦力時(shí)，小車后面的紙帶必須連好，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)過程中紙帶也要受阻力拓展：在“探究牛頓第二定律"的實(shí)驗(yàn)中，為了探究滑塊質(zhì)量m0不變時(shí),加速度與外力F的定量關(guān)系，砝碼質(zhì)量m和滑塊質(zhì)量m0分別選取下列四組值：A．m0＝500g，m分別為50g，70g,100g，125gB．m0＝500g,m分別為20g,30g，40g，50gC．m0＝200g，m分別為50g,75g,100g,125gD．m0＝200g，m分別為30g,40g，50g，60g若其他操作都正確，那么在選用________組值測量時(shí)所畫出的a－F圖線較準(zhǔn)確．方法總結(jié)1．平衡摩擦力是指小車所受動(dòng)力（重力沿斜面向下的分力)與小車所受阻力(包括小車所受摩擦力和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對小車后所拖紙帶的摩擦力)大小相等．實(shí)驗(yàn)中應(yīng)在小車后拖上紙帶，先接通電源，再用手給小車一個(gè)初速度，若紙帶上打出的點(diǎn)的間隔基本上均勻，就表明平衡了摩擦力，否則須重新調(diào)整小木塊位置．2．在探究a與m的關(guān)系時(shí)，是通過作a－eq\f（1,m）的圖象，特點(diǎn)是正比關(guān)系，而得到a與m成反比關(guān)系的．3．實(shí)驗(yàn)中是把沙和沙桶所受的總重力mg視為車和砝碼所受力，因此，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)必須滿足m?M的條件，不得隨意增大m或者減小M，以至于出現(xiàn)較大的實(shí)驗(yàn)誤差.二、實(shí)驗(yàn)操作問題例2用如圖所示的裝置研究在作用力F一定時(shí)，小車的加速度a與小車質(zhì)量m的關(guān)系,某位同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下：A．用天平稱出小車和小桶及內(nèi)部所裝砂子的質(zhì)量；B．按圖裝好實(shí)驗(yàn)器材；C．把輕繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛砂桶；D．將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在6V電壓的蓄電池上，接通電源，放開小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，并在紙帶上標(biāo)明小車質(zhì)量；E．保持小桶及其中砂子的質(zhì)量不變，增加小車上的砝碼個(gè)數(shù)，并記錄每次增加后的m值,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn);F．分析每條紙帶，測量并計(jì)算出加速度的值;G．作a－m關(guān)系圖象,并由圖象確定a－m關(guān)系．(1)該同學(xué)漏掉的重要實(shí)驗(yàn)步驟是________,該步驟應(yīng)排在________步實(shí)驗(yàn)之后．(2)在上述步驟中，有錯(cuò)誤的是________，應(yīng)把________改為________．(3）在上述步驟中,處理不恰當(dāng)?shù)氖莀_______，應(yīng)把________改為________．方法總結(jié)：1．實(shí)驗(yàn)操作中應(yīng)注意平衡摩擦力．整個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后，不管以后是改變托盤和砝碼的質(zhì)量，還是改變小車的質(zhì)量,都不需要重新平衡摩擦力．平衡摩擦力是指小車所受重力沿斜面的分力與小車所受阻力(包括小車所受摩擦力和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對小車后面所拖紙帶的摩擦力）大小相等．即mgsinθ＝μmgcosθ，tanθ＝μ，與小車的質(zhì)量無關(guān)．2．應(yīng)注意先對打點(diǎn)計(jì)時(shí)器通電，待打點(diǎn)穩(wěn)定后再釋放小車.三、數(shù)據(jù)處理和誤差分析例3某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量m關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，如圖4－2－2所示，圖甲為實(shí)驗(yàn)裝置簡圖(交流電的頻率為50Hz）．圖4－2－2（1）圖乙為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為________m/s2（保留兩位有效數(shù)字）．(2)保持砂和砂桶質(zhì)量不變，改變小車質(zhì)量m，分別得到小車加速度a與質(zhì)量m及對應(yīng)的eq\f（1，m），數(shù)據(jù)如下表：實(shí)驗(yàn)次數(shù)12345678小車加速度a/(m·s－2)1.901。721。491。251。000。750。500.30小車質(zhì)量m/kg0.250。290。330。400。500。711。001。67eq\f(1，m）/kg－14.003。453。032.502。001.411。000。60請?jiān)谌鐖D4－2－3所示的方格坐標(biāo)紙中畫出a－eq\f（1,m）圖線，并依據(jù)圖線求出小車加速度a與質(zhì)量倒數(shù)eq\f（1,m）之間的關(guān)系式是________．圖4－2－3(3）保持小車質(zhì)量不變，改變砂和砂桶質(zhì)量，該同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a隨合力F的變化圖線，如圖4－2－4所示．該圖線不通過原點(diǎn),請你分析其主要原因是________________________________________________________________________．圖4－2－4方法總結(jié):1．控制變量法:當(dāng)研究多個(gè)物理量的變化規(guī)律時(shí),為了簡便，可設(shè)計(jì)保持其他物理量不變，只研究剩余兩個(gè)變化物理量的關(guān)系，這種方法叫做控制變量法．2．對比實(shí)驗(yàn)法：兩個(gè)相同的小車放在光滑水平板上，前端各系一條細(xì)繩，繩的另一端跨過定滑輪各掛一個(gè)小盤,盤中各放數(shù)目不等的砝碼，就可以驗(yàn)證質(zhì)量一定的條件下，加速度與力的關(guān)系．對比實(shí)驗(yàn)法在物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用到．兩小車后端各系一條細(xì)繩，一起被一個(gè)夾子夾著而使小車靜止（如圖下圖所示)．