高中物理实验探究加速度与力质量的关系学案Word文档下载推荐.docx

高中物理实验探究加速度与力质量的关系学案Word文档下载推荐.docx

《高中物理实验探究加速度与力质量的关系学案Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中物理实验探究加速度与力质量的关系学案Word文档下载推荐.docx（32页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

A．在探究加速度与质量的关系时，应改变拉力的大小

B．在探究加速度与力的关系时，应改变小车的质量

C．在探究加速度a与质量m的关系时，为了直观判断二者间的关系，应先作出的是a－

图像

D．当小车的质量远大于槽码的质量时，才能近似认为细线对小车的拉力大小等于槽码的重力

[解析]　

（1）本实验采用了控制变量法，即先保证物体质量不变，研究加速度与合力的关系，再保证物体受力不变，研究加速度与质量的关系．

（2）探究a与m的关系时，应保持F不变，改变m的大小；

探究a与F的关系时，应保持m不变，改变F的大小，故A、B错误．a－

关系图像为过原点的直线，作出这个图像容易得出a与m成反比的结论，C正确．只有小车的质量远大于槽码的质量时，小车受到的合力大小才约等于槽码的重力，D正确．

[答案]　

（1）A　

（2）CD

2．想一想：

实验过程中，为了减小实验误差，关键要把握哪两点？

[答案]　①平衡摩擦力；

②槽码的质量远小于小车的质量.

要点一实验思路

采用控制变量法：

在该实验中有三个变量，为了研究问题方便，可先控制一个量不变，观察另外两个量的变化情况，从而确定三者的关系．

（1）加速度与力的关系

①实验基本思路：

控制物体的质量m不变，测量物体在不同的力F作用下的加速度a，分析a与F的关系．

②实验数据的分析：

设计表格，记录数据．

在如下图所示的坐标系内，作出a－F图像．

分析：

若图像是过原点的直线，则a∝F；

若图像不是直线，再作其他分析．

（2）加速度与质量的关系

控制物体所受的力F不变，测量不同质量的物体在该力作用下的加速度a，分析a与质量m的关系．

设计表格，记录数据.

猜想：

F相同，m越大，a越小，是否有“a与m成反比”或“a与m2成反比”？

从最简单的情况入手，若a与m成反比，则a与

成正比．所以，建立如下图所示的坐标系，作出a－

图像．

若a－

图像是过原点的直线，则a与m成反比．

【典例1】　如右图所示，在研究加速度与力、质量的关系的实验中，若1、2两个相同的小车所受拉力分别为F1、F2，车中所放砝码的质量分别为m1、m2，打开夹子后经过相同的时间两车的位移分别为x1、x2，则在实验误差允许的范围内，有（　　）

A．当m1＝m2、F1＝2F2时，x1＝2x2

B．当m1＝m2、F1＝2F2时，x2＝2x1

C．当F1＝F2、m1＝2m2时，x1＝2x2

D．当F1＝F2、m1＝2m2时，x2＝2x1

[思路点拨]　本题中m1和m2是小车中砝码的质量，绝不能认为是小车的质量．

[解析]　两小车相同，当m1＝m2时，若F1＝2F2，则a1＝2a2，由x＝

at2得x1＝2x2，A正确，B错误．若m1＝2m2，由于两小车的质量未知，故无法确定两车加砝码后的质量关系，进而两小车的加速度关系也就不清楚，因此无法断定两车的位移关系，C、D错误．

[答案]　A

等效替代法

对于某个不便直接测量的物理量，用便于测量的物理量进行等效替代．在如右图所示的实验中，使两车同时运动，同时停止．分别测出两小车的位移x的大小，根据x＝

at2可知x∝a.即通过比较x的大小关系，就可以知道a的大小关系．

1．“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图所示．实验中，为使小车运动时所受的拉力近似等于槽码的重力，则槽码的质量m与小车的质量M应满足的关系是（　　）

A．m远大于MB．m远小于M

C．m略大于MD．m略小于M

[解析]　只有M≫m时，才可以认为绳对小车的拉力大小等于槽码的重力，B正确．

[答案]　B

2．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，需要平衡摩擦力时，应该让小车（　　）

A．挂上槽码，拖上纸带，开动打点计时器

B．不挂槽码，拖上纸带，开动打点计时器

C．挂上槽码，不拖纸带

D．不挂槽码，不拖纸带

[解析]　平衡摩擦力时，应把纸带所受的摩擦阻力一起平衡掉，所以应让小车拖上纸带，不挂槽码，且让打点计时器处于工作状态，B正确．

要点二物理量的测量、进行实验

1．本实验有三个需要测量的物理量：

a、F、m.质量可用天平测量，a与F如何测量呢？

（1）如何测量（或比较）小车的加速度

①利用打点计时器打出纸带，由Δx＝aT2来计算加速度．

②由a＝

可知，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，则位移之比就等于加速度之比，即

＝

.

（2）怎样提供并测量小车所受的力

实验中力F的含义可认为是小车受到的合力．实验装置如下图所示．小车在槽码重力的作用下做匀加速运动．由于槽码也有加速度，因此牵引小车做匀加速运动的力并不等于槽码的重力．如果实验中要把槽码的重力作为牵引小车做匀加速运动的外力，就必须注意控制实验条件，把握好以下两点．

①平衡摩擦阻力：

即通过垫高木板，让小车在不挂槽码时受到的阻力跟小车的重力沿斜面方向的分力平衡．

②让槽码的质量远小于小车的质量．

2．进行实验

（1）用天平分别测出槽码的质量，并记录数值．

（2）按上图将实验器材安装好（小车上不系绳）．

（3）平衡摩擦力：

把木板无滑轮的一端下面垫一薄木板，反复移动其位置，使小车在不挂槽码的情况下，能沿木板做匀速直线运动（打点计时器打出的纸带上相邻点之间的距离相等）．

（4）把小车停在靠近打点计时器处，挂上槽码，先接通电源，再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑，打出一条纸带．计算槽码所受的重力，即小车所受的合外力，由纸带计算出小车的加速度，并把槽码的重力和对应的加速度记录在表格中．

（5）改变槽码的个数，重复步骤（4），并多做几次．

（6）保持槽码个数不变，在小车上放上重物改变小车的质量，让小车在木板上运动打出纸带．计算重物和小车的总质量，并由纸带计算出小车对应的加速度．

（7）改变小车上重物的个数，重复步骤（6），并多做几次，所对应的质量和加速度也需记录在表格中．

（8）用纵坐标表示加速度，横坐标表示力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点．若这些点在一条直线上，便证明了加速度与力成正比，如图甲所示．

（9）用纵坐标表示加速度，横坐标表示小车和车上重物总质量的倒数，在坐标平面上根据实验数据画出相应的点，如果这些点在一条直线上，就表明加速度与质量成反比．如图乙所示．

【典例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关系的实验，下图所示为实验装置简图（交流电源的频率为50Hz）．

（1）下图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.（保留两位有效数字）

（2）保持槽码的质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m及对应的

，数据如下表.

序号

1

2

3

4

5

6

7

8

小车加速度a/（m·

s－2）

1.90

1.72

1.49

1.25

1.00

0.75

0.50

0.30

小车质量m/kg

0.25

0.29

0.33

0.40

0.71

1.67

/kg－1

4.00

3.45

3.03

2.50

2.00

1.41

0.60

请在图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_______________________.

（3）保持小车的质量不变，改变槽码的质量，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__________________________________．

[思路点拨]　计算加速度时要注意本题中相邻两计数点间的时间间隔为2T，T＝0.02s．通过实验数据描点作图线时偏离图线太远的数据点为无效数据，要舍去，不要将图线画成通过各点的折线．

[解析]　

（1）在连续相等的时间间隔内，从纸带上可得到四段位移，因此可以选用逐差法计算加速度．

已知x1＝6.19cm，x2＝6.70cm，x3＝7.21cm，x4＝7.72cm，电火花打点计时器打点的周期T＝

＝0.02s

由逐差法可得x3－x1＝2a1（2T）2，x4－x2＝2a2（2T）2

故a＝

＝3.2m/s2.

（2）在a－

坐标系中描点连线，得a－

图线如下图所示，得a＝

（3）由a－F图线可知，F增大至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充分．

[答案]　

（1）3.2　

（2）如解析图所示　a＝

　（3）实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不充分

实验数据的处理与误差分析要点

（1）会利用“逐差法”及图像法求物体运动的加速度，在求加速度时要注意题中相邻计数点间的时间间隔与打点周期的关系；

（2）根据实验原理和实验步骤分析实验的系统误差和偶然误差；

（3）根据图像中斜率、截距的意义分析实验误差，特别是由平衡摩擦力及m未远小于M引起的误差的分析．

3．在保持小车质量m不变，探究加速度a与力F的关系时，小车质量m和槽码质量m′分别选取下列四组值．若其他操作都正确，要使所画出的a－F图线较准确，应选用的一组值是（　　）

A．m＝500g，m′分别为50g、70g、100g、125g

B．m＝500g，m′分别为20g、30g、40g、50g

C．m＝200g，m′分别为50g、70g、100g、125g

D．m＝100g，m′分别为30g、40g、50g、60g

[解析]　探究a与F的关系时，应满足小车的质量远大于槽码的质量，即m≫m′，故B正确．

4．在“探究加速度a与力F、质量M的关系”的实验中

（1）我们都是先确保小车质量M不变，研究a与F的关系，再确保F不变，研究a与M之间的关系，这种实验方法称为____________________．

A．牵引小车的轻绳应和长木板保持平行

B．将打点计时器接在6V电压的蓄电池上，先接通电源，后放开小车，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

C．在探究a与质量M的关系时，作出a－

图像能更直观地判断二者间的关系

D．轻绳对小车的拉力，一定等于槽码的重力

[解析]　

（1）在实验中先确保小车质量M不变，研究a与F的关系，再确保F不变，研究a与M之间的关系，这种实验方法称为控制变量法．

（2）牵引小车的轻绳应和长木板保持平行，使得拉力等于小车所受的合力，故A正确．打点计时器应接交流电源，蓄电池是直流电源，故B错误．加速度a与M的关系图线是曲线，作a－M图线不能判断出二者的关系，作a－

图像能更直观地判断二者间的关系，故C正确．在实验中，由于槽码也做加速运动，故其重力大于细绳对小车的拉力，只有当M≫m时才可近似认为槽码的重力等于细绳对小车的拉力，故D错误．

[答案]　

（1）控制变量法　

（2）AC

要点三误差分析、注意事项

1．注意事项

（1）注意平衡摩擦力．即通过垫高调整好一个合适的斜面，使小车的重力沿斜面方向的分力恰好与小车受到的摩擦力平衡．在平衡摩擦力时，不要把悬挂槽码的细绳系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着打点的纸带运动．

如果没有平衡摩擦力或摩擦力没有平衡好，实验中作出的a－F或a－

图像不过原点．

如出现下图所示图线①，说明平衡摩擦力时，平衡过度了．即拉力F＝0时，已产生加速度，其加速度是由“重力的分力”形成的．

如出现图中图线②，说明平衡摩擦力不够或根本没有平衡摩擦力，因为拉力为F0时才产生加速度．

（2）整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变槽码的质量还是改变小车和重物的质量，都不需要重新平衡摩擦力．

（3）每条纸带必须满足在小车与车上所加重物的总质量远大于槽码的质量的条件下打出．只有如此，槽码的重力才可视为小车受到的拉力．

若实验中得到的图像如右图所示，拉力F很大时AB段明显偏离直线，说明此时槽码的质量太大，不满足远小于小车和车中重物的总质量的条件．

（4）改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并先接通电源，再放开小车，且在小车到达滑轮前按住小车．

（5）要使尽可能多的点在所作的直线上，不在直线上的点应尽可能对称地分布在所作直线的两侧，远离的点直接舍去．

2．实验误差产生原因及减小误差的方法

【典例3】　在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，在研究小车的加速度a和小车的质量M的关系时，由于没有始终满足M≫m（m为槽码的质量）的条件，结果得到的图像应是下列图中的（　　）

[思路点拨]　产生错解的原因是认为槽码的重力与小车所受的拉力相等，忽视了槽码也在做加速运动而不是处于平衡状态的事实．将槽码的重力与小车所受的拉力视为相等，这实际上是一种近似处理，存在系统误差．

[解析]　本实验中小车的加速度a＝

，在研究加速度与质量的关系时，保持m不变，由上式可知加速度a与系统的质量（M＋m）成反比．如果横轴表示

，则a－

图像应是过坐标原点的直线．现将a＝

变形得a＝

·

，由此式可知，

前面的系数

和

有关，在改变

时会发生变化，它并不是常数，因此a和

不是正比关系，随着

的增大，式中

前面的系数会减小，因此图线偏离直线向下弯曲．但M≫m时，a≈

，a正比于

，所以在M较大时

图线近似为直线．由以上讨论可知D选项正确．

[答案]　D

在分析实验误差时，经常采取的方法是将准确的通常是理论的计算方法同实验中采用的计算方法进行比较.如本例中就是把a＝

和a′＝

两式进行比较，从而得出由于误差而引起的图像的变化特点.a<

a′，图线偏离直线向下弯.

5．用如图甲所示装置做“探究物体的加速度跟力的关系”的实验．实验时保持小车的质量不变，用槽码所受的重力作

为小车受到的合力，用打点计时器和小车后端拖动的纸带测出小车运动的加速度．

（1）实验时先不挂槽码，反复调整垫块的左右位置，直到小车做匀速直线运动，这样做的目的是_________________________________

________________________.

（2）图乙为实验中打出的一条纸带的一部分，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两个计数点之间有4个点迹没有标出，测出各计数点到A点的距离，如图乙所示．已知打点计时器接在频率为50Hz的交流电源两端，则此次实验中小车运动的加速度的测量值a＝________m/s2.（结果保留两位有效数字）

（3）实验时改变所挂槽码的质量，分别测量小车在不同外力作用下的加速度．根据测得的多组数据画出a－F关系图像，如图丙所示．此图像的AB段明显偏离直线，造成此现象的主要原因可能是________．（选填下列选项的序号）

A．小车与平面轨道之间存在摩擦

B．平面轨道倾斜角度过大

C．所挂槽码的总质量过大

D．所用小车的质量过大

[解析]　

（1）反复调整垫块的左右位置，可改变平面轨道的倾角，利用小车沿斜面向下的分力来平衡小车运动中所受的摩擦阻力．

（2）a＝

，T＝0.1s，代入数据得a＝1.0m/s2.

（3）实验时保持小车的质量不变，槽码所受的重力近似等于小车受到的合力，需满足的条件是小车的质量远大于槽码的质量，若所挂槽码总质量过大时，引起的实验误差较大，造成图线的AB段明显偏离直线，故C正确．

[答案]　

（1）平衡小车运动中所受的摩擦阻力　

（2）1.0　（3）C

课堂归纳小结

[知识体系]

[关键点击]

1．探究加速度与力、质量的关系利用了控制变量法，实验中保证小车质量不变，探究加速度与合外力F的关系，保证小车所受合外力不变，探究加速度与小车质量的关系．

2．做实验前要平衡小车受到的摩擦力，平衡摩擦力时不挂槽码，使小车带动纸带做匀速直线运动即可．

课后作业（十六）

[要点对点练]

要点一：

实验思路

1．在“探究加速度与力、质量的关系”实验中：

（1）当质量m一定时，a与F合成________；

当力F一定时，a与M成________．

（2）如图所示为“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置图，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．本实验中探究的方法是控制变量法

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，对探究结果也不会产生影响

[解析]　

（1）当质量m一定时，a与F合成正比；

当力F一定时，a与M成反比．

（2）平衡摩擦力时，应使小车在不受拉力作用下拖动纸带做匀速直线运动，A错．实验中采用控制变量法，即研究加速度与合力关系时控制小车质量不变，研究加速度与小车质量关系时要控制拉力不变，B对．实验时，先接通电源打点，后放开小车拖动纸带运动，C错．为减小实验误差，实验时必须做到重物的质量远小于小车的质量，D错．

[答案]　

（1）正比　反比　

（2）B

2．在探究“加速度与质量的关系”的实验中，小车的受力F一定时，a与m的关系数据如下表所示．试根据表中数据回答下列问题．

a/（m/s2）

2.01

2.66

3.23

3.98

m/kg

1.50

（1）作a－m的关系图像能否发现a与m的关系？

为什么？

怎样做才能发现a与m的关系？

（2）在坐标纸中画出a－1/m的关系图像；

（3）根据a－1/m的关系图像，你能得出怎样的结论？

[解析]　

（1）作a与m的关系图像，不能发现a与m的关系．根据表格可猜想到a与m可能成反比、也可能是a与m2成反比……，显然a－m关系图线是曲线，凭肉眼是不能判断曲线是否是双曲线的．若xy＝k（k为不等于0的常数），则作y－

的关系图线可化曲为直，故应通过作a－1/m的关系图像研究．

（2）a－1/m关系图像如图所示．

（3）在小车所受合外力保持不变时，小车的加速度与质量成反比．

[答案]　见解析

要点二：

进行实验

3．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，当作用力一定时（小盘和砝码的重力不变），探究加速度与质量的关系，以下说法中正确的是（　　）

A．平衡摩擦力时，应将小盘和砝码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，再接通打点计时器的电源

D．小车运动的加速度可用天平测出小车的质量m和小盘与砝码的总质量m0，直接用公式a＝

g求出

[解析]　在平衡摩擦力时，不应将小盘和砝码用细绳通过定滑轮连在小车上，而是在长木板不带滑轮的一端垫上薄木块并调整到恰当的位置，使小车能在长木板上带着纸带匀速下滑即可，故选项A错误，选项B正确；

操作时应先接通打点计时器的电源再放开小车，故选项C错误；

牛顿第二定律是本实验要达到的目标，不能把它作为理论依据来计算加速度，其加速度只能从纸带提供的数据通过计算得出，故选项D错误．

4．用如图所示的装置研究在作用力F一定时，小车的加速度a与小车质量M的关系，某位同学设计的实验步骤如下：

A．用天平称出小车和小桶及内部所装砂子的质量

B．按图示安装好实验器材

C．把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砂桶

D．将电磁打点计时器接在6V电压的蓄电池上，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，并在纸带上标明小车的质量

E．保持小桶及内部砂子的质量不变，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a－M关系图像，并由图像确定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________步实验之后．

（2）在上述步骤中，有错误的是________，应把________改为________．

（3）在上述步骤中，处理不恰当的是________，应把________改为________．

[解析]　实验中把小桶及其中砂子的重力看作与小车所受拉力大小相等，没有考虑摩擦力，故在悬挂砂桶前必须平衡摩擦力．电磁打点计时器接在6V电压的蓄电池上时不能打点，必须接在6V以下交流电压的学生电源上．作a－M关系图像，得到的是双曲线的一支，很难做出正确的判断，必须“化曲为直”，改作a－

关系图像．

[答案]　

（1）平衡摩擦力　B

（2）D　6V电压的蓄电池　6V以下交流电压的学生电源

（3）G　a－M　a－

要点三：

数据处理、误差分析

5．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，下图给出的是实验中获取的一条纸带的一部分：

0、1、2、3、4、5、6是计数点，每相邻两计数点间还有4个点（图中未标出，打点计时器频率为50Hz），计数点间的距离如图所示．

（1）根据图中数据计算的加速度a＝________m/s2；

（保留三位有效数字）

（2）为减小误差，该实验要求小车的质量M跟槽码质量m的关系是M________m.

[解析]　

（1）由题意可得计数点间的时间间隔为T＝0.1s，由匀变速直线运动规律得

a＝

≈0.496m/s2.

[答案]　

（1）0.496　

（2）≫

6．在“探究加速度与力、质量的关系”这一实验中：

（1）甲、乙两位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的图像分别为图1中的直线Ⅰ和直线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

（2）如图2给出了该次实验中从O点开始，每5个点取一