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文档简介

1、实验4探究加速度与物体 受力、 物体质量的关系 -1- 一、实验目的 1.学会用控制变量法研究物理量的关系。 2.探究加速度与力、质量的关系。 3.掌握利用图象处理数据的方法。 二、实验原理 1.保持质量不变,探究加速度跟合外力的关系。 2.保持合外力不变,探究加速度与质量的关系。 3.作出a-F图象和a- 图象,确定其关系。 三、实验器材 打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、 小盘、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码。 -2- 四、实验步骤 1.称量质量用天平测量小盘的质量m1和小车的质量m2。 2.安装器材按如图所示装置安装器材(只是不把悬挂小盘的 细绳

2、系在小车上)。 3.平衡摩擦力在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄 木块,反复移动薄木块的位置,直至小车能拉着纸带匀速下滑。 -3- 4.测量加速度 (1)保持小车的质量不变,打出一条纸带。计算小盘和砝码的重力 由纸带计算出小车的加速度,并填入表中。改变小盘内砝码的个数, 并多做几次。 (2)保持小盘内的砝码个数不变,在小车上放上砝码改变小车的质 量,让小车在木板上滑动打出纸带。计算砝码和小车的总质量m0, 并由纸带计算出小车对应的加速度,填入表中。改变小车上砝码的 个数,多做几次。 -4- 五、数据处理 1.利用x=aT2及逐差法求a。 2.以a为纵坐标,F为横坐标,根据各组数据描点,如果

3、这些点在一条 过原点的直线上,说明a与F成正比。 3.以a为纵坐标, 为横坐标,描点、连线,如果该线为过原点的直 线,就能判定a与m成反比。 六、误差分析 1.实验原理不完善:本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的 拉力,而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。 2.摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准 确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。 -5- 七、注意事项 1.平衡摩擦力:适当垫高木板的右端,使小车的重力沿斜面方向的 分力正好平衡小车和纸带受到的阻力。在平衡摩擦力时,不要把悬 挂小盘的细绳系在小车上,让小车拉着穿过打点计时器的纸带匀速 运动。 2.不重复

4、平衡摩擦力。 3.实验条件:m0m。 4.一先一后一按:开始时小车应尽量靠近打点计时器,先接通电源, 后释放小车,在小车到达滑轮前按住小车。 -6- 命题点一命题点二 教材原型实验教材原型实验 典例1某同学设计了一种方法用来探究“在外力一定的条件下,物 体的加速度与其质量间的关系” ,电源为50 Hz的交流电源。 -7- 命题点一命题点二 -8- 命题点一命题点二 (1)完成下列实验步骤中的填空: .平衡小车所受的阻力:小吊盘中不放物块,调整木板右端的高度, 用手轻拨小车,直到打点计时器打出一系列点迹均匀的点。 .按住小车,在小吊盘中放入适当质量的物块,在小车中放入砝码。 .打开打点计时器电源

5、,释放小车,获得带有点迹的纸带,在纸带上 标出小车中砝码的质量m。 .按住小车,改变小车中砝码的质量,重复步骤。 .在每条纸带上清晰的部分,每5个间隔标注一个计数点,测量相邻 计数点的间距x1,x2,求出与不同m相对应的加速度a。 -9- 命题点一命题点二 (2)完成下列填空: 本实验中,为了保证在改变小车中砝码的质量时,小车所受的拉 力近似不变,小吊盘和盘中物块的质量之和为m1,车的质量为M,则 应满足的条件是。 设纸带上相邻两个计数点间的距离分别用x1、x2、x3、x4、x5、 x6来表示从O点开始各相邻两个计数点间的距离,用T表示相邻计数 点的时间间隔,则该匀变速直线运动的加速度的表达式

6、为a= (用符号写出表达式,不要求计算)。打E点时小车的速度大小为vE= m/s。(保留3位有效数字) 图3为所得实验图线的示意图。设图中直线的斜率为k,在纵轴 上的截距为b,若牛顿第二定律成立,则小车受到的拉力为, 小车的质量为。 -10- 命题点一命题点二 -11- 命题点一命题点二 思维点拨本实验质量间满足的条件是m1远小于M;根据x=aT2求加 速度;根据中间时刻的瞬时速度等于该段的平均速度求E点时小车 的速度;根据图象截距、斜率的含义求小车受到的拉力和小车的质 量。 本题考查学生对实验的探究过程、获取和处理信息的能力,目的是 培养学生的科学探究能力和科学的态度与责任。 -12- 命题

7、点一命题点二 实验拓展创新实验拓展创新 以本实验为背景,通过改变实验条件、实验仪器和实验数据的处 理设置题目,或者通过实验原理的拓展来设置题目。 一、实验器材的改进 -13- 命题点一命题点二 二、数据测量的改进 三、实验的拓展延伸 以验证牛顿运动定律为背景测量物块与木板间的动摩擦因数。 -14- 命题点一命题点二 典例2(2016全国卷)某物理课外小组利用图(a)中的装置探究 物体加速度与其所受合外力之间的关系。图中,置于实验台上的长 木板水平放置,其右端固定一轻滑轮;轻绳跨过滑轮,一端与放在木 板上的小滑车相连,另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有 N=5个,每个质量均为0.010 k

8、g。实验步骤如下: -15- 命题点一命题点二 (1)将5个钩码全部放入小车中,在长木板左下方垫上适当厚度的 小物块,使小车(和钩码)可以在木板上匀速下滑。 (2)将n(依次取n=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余N-n个钩码 仍留在小车内;用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车,同 时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s,绘制s-t图 象,经数据处理后可得到相应的加速度a。 -16- 命题点一命题点二 (3)对应于不同的n的a值见下表。n=2时的s-t图象如图(b)所示:由 图(b)求出此时小车的加速度(保留2位有效数字),将结果填入下表。 -17- 命题点一命题点二

9、 (4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点,并作出a-n图象。从图 象可以看出:当物体质量一定时,物体的加速度与其所受的合外力 成正比。 -18- 命题点一命题点二 (5)利用a-n图象求得小车(空载)的质量为 kg(保留2位 有效数字,重力加速度g取9.8 ms-2)。 (6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1),下列说法正确的是 (填入正确选项前的标号)。 A.a-n图线不再是直线 B.a-n图线仍是直线,但该直线不过原点 C.a-n图线仍是直线,但该直线的斜率变大 答案:(3)0.40(0.370.49均对)(4)a-n图线见解析(5)0.45(在0.43 和0.47范围内都给分)(6

10、)BC 解析:(3)小滑车释放后做初速度为零的匀加速直线运动满足x= at2 由题图(b)知,当x=0.8 m时,t=2.00 s,代入式解得a=0.40 m/s2 -19- 命题点一命题点二 (4)描点作图a-n图线如图: (5)对钩码与小滑车组成的系统有 nmg=(m+5m)a 解得m=0.45 kg。 (6)若木板保持水平,则对系统由牛顿第二定律得nmg-m+(N- n)mg=(m+Nm)a 由此知图线不过原点,且斜率增大,故B、C选项正确。 -20- 命题点一命题点二 思维点拨此实验与教材中实验对比,研究对象一样吗? 答案:不一样,教材实验中研究对象是小车,此实验中的研究对象 是小车和

11、钩码(包括悬挂的钩码)。 -21- 命题点一命题点二 典例3(2018江苏连云港一模)如图甲所示是研究小车加速度与力 关系的实验装置。木板置于水平桌面上,一端系有沙桶的细绳通过 滑轮与拉力传感器相连,拉力传感器可显示所受的拉力大小F,改变 桶中沙的质量多次实验。完成下列问题: (1)实验中需要。 A.测量沙和沙桶的总质量 B.保持细线与长木板平行 C.保持小车的质量不变 D.满足沙和沙桶的总质量远小于小车的质量 -22- 命题点一命题点二 (2)实验中得到一条纸带,相邻计数点间有四个点未标出,各计数 点到A点的距离如图乙所示。电源的频率为50 Hz,则打B点时小车 速度大小为m/s,小车的加速

12、度大小为m/s2。 (3)实验中描绘出a-F图象如图丙所示,图象不过坐标原点的原因 是。 -23- 命题点一命题点二 答案: (1)BC(2)0.416或0.421.48(3)平衡摩擦力过度 解析: (1)绳子的拉力可以通过拉力传感器测出,不需要用天平测出 沙和沙桶的质量,故A错误;为了使细线对小车的拉力等于小车所受 的合外力,需要平衡摩擦力,平衡摩擦力时应当将穿过打点计时器 的纸带连在小车上,调整长木板的倾斜度,让小车拖着纸带做匀速 直线运动,同时要调整长木板上滑轮的高度使细线与长木板平行, 所以B选项是正确的;本实验采用的是控制变量法,要研究小车加速 度与力的关系,必须保持小车的质量不变,

13、所以C选项是正确的;实验 中拉力通过拉力传感器测出,不需要满足沙和沙桶的质量远小于小 车的质量,故D错误。 -24- 命题点一命题点二 -25- 命题点一命题点二 思维点拨小车受到滑轮的拉力多大? 提示 小车受到滑轮的拉力等于拉力传感器示数的两倍。 -26- 命题点一命题点二 典例4(2018四川广安眉山内江遂宁二诊)用如图甲所示装置探究 小车加速度与质量的关系。轨道CD水平,重物通过轻质细线拉着 固定有遮光条的小车从A点由静止开始运动,通过B点时,与光电门 相连的数字计时器读出遮光条通过光电门的时间t,用天平测出小 车和砝码的总质量M,用10分度的游标卡尺测出遮光条宽度d。 -27- 命题点

14、一命题点二 (1)测遮光条宽度时游标卡尺示数如图乙所示,则d= mm。 (2)要得到小车的加速度a,还需要测量的物理量是(选 填序号),计算加速度公式是a=(用所测物理量的字母表 示)。 A.重物质量m B.轨道CD长度L1 C.A、B间距离L2 (3)增加砝码,重复多次实验,测量的数据是准确的,作出a- 图象, 则图线是图丙中的(选填“”“”或“”)。 -28- 命题点一命题点二 -29- 命题点一命题点二 思维点拨光电门和数字计时器相结合可求得什么物理量? 提示 光电门和数字计时器相结合可求得小车经过光电门时的瞬 时速度。 -30- 命题点一命题点二 此类问题考查学生设计实验与制定方案,获

15、取和处理信息,基于数 据得出结论并作出解释,目的是培养学生的科学探究能力和科学的 态度与责任。 -31- 1.(2019安徽合肥中学暑期调研)在“探究加速度与力、质量的关系” 实验中,采用如图甲所示的装置。 -32- (1)下列说法中不正确的是。 A.本实验应先平衡摩擦力 B.在探究加速度与质量的关系时,应改变小车所受拉力的大小 C.在探究加速度与质量的关系时,作出a- 图象更容易直观地判断 出二者间的关系 D.无论m取什么值,细线对小车的拉力就是小车的合力 (2)在探究加速度与力的关系时,若小车的质量M=0.5 kg,改变砝码 质量m的值,进行多次实验,以下m的取值哪个比较合适。 A.m1=

16、0.4 kgB.m2=0.01 kg C.m3=4 kgD.m4=0.5 kg (3)实验中打出了一条纸带如图乙所示。打点计时器打点的时间间 隔为0.02 s。从比较清晰的点起,每5个点取一个计数点,量出相邻计 数点之间的距离,根据图中给出的数据求出该小车的加速度a= m/s2。(结果保留两位有效数字) -33- 答案: (1)B(2)B(3)1.3 解析: (1)本实验应先平衡摩擦力,这样才会认为砝码的拉力等于合 外力,选项A正确;在探究加速度与质量的关系时,应保持小车所受 拉力的大小不变,选项B错误;在探究加速度与质量的关系时,作出a- 图象,出现的线性关系更容易直观地判断出二者间的关系,

17、选项C 正确;平衡了摩擦力后,细线对小车的拉力就是小车的合力,选项D 正确。此题选择不正确的选项,故选B。 (2)当钩码的质量远小于小车质量时,可认为钩码的重力就是小车的 牵引力,则选择质量是0.01 kg的钩码比较合适,故选B。 (3)根据逐差法可求解加速度 -34- 2.(2019重庆中山外国语学校开学考)在探究物体的加速度a与物体 所受外力F、物体质量M间的关系时,采用如图甲所示的实验装置。 小车及车中的砝码的总质量用M表示,盘及盘中砝码的总质量用m 表示。 -35- (1)当M与m的大小关系满足时,才可以认为绳子对小车的 拉力大小等于盘和砝码的重力。 (2)某同学打出的一条纸带如图乙所

18、示,用刻度尺测得记数点1,2,3,4 到记数起点0的距离分别为3.15 cm,12.40 cm,27.7 cm,49.05 cm,已知 打点周期为0.02 s,则: 图中四个数据中有不符合有效数字要求的一组数据应改为 cm; 物体运动的加速度是 m/s2。(保留三位有效数字) -36- (3)另两组同学保持小车及车中砝码的总质量M一定,探究加速度a 与所受外力F的关系,由于他们操作不当,这两组同学得到的a-F关系 图象分别如图丙所示,其原因分别是: 左图:; 右图:。 -37- 答案: (1)mM(2)27.706.06(3)不满足mM没有 平衡摩擦力或平衡摩擦力不足 解析: (1)根据牛顿第

19、二定律得:对盘及盘中的砝码:mg-F=ma,对小 车及车中的砝码:F=Ma,解得 ,只有满足mM时,可 认为F=mg。 (2)毫米刻度尺测量长度,要求估读,即读到最小刻度的下一位;这 四个数据中不符合有效数字读数要求的是27.7,应改为27.70。 根据匀变速直线运动过程中在相等时间内走过的位移差是一个 定值可得 -38- (3)左图中当盘及盘中砝码的总质量较大时,a-F图象发生弯曲,这 是由于没有保证小车及车中的砝码的总质量远大于盘及盘中砝码 的总质量造成的;右图中,发现直线没过原点,当F0时,a=0,也就 是说当绳子上有拉力时小车的加速度还为0,说明小车的摩擦力与 绳子的拉力相互抵消,该组

20、同学实验操作中遗漏了平衡摩擦力或平 衡摩擦力不足。 -39- 3.(2018山东济宁一模)某同学用如图所示实验装置测量滑块与桌 面间的动摩擦因数。实验中滑块放在水平桌面上,在轻质动滑轮上 悬挂不同的重物,使滑块从同一位置由静止加速运动。滑块经过光 电门时,配套的数字毫秒计测出遮光条的挡光时间t,读出弹簧测力 计的示数F,作出 -F关系图象如图乙所示。已知滑块到光电门的 距离x=45 cm,遮光条的宽度d=3 mm(忽略绳子质量及绳子与滑轮之 间的摩擦,g取10 m/s2)。 -40- (1)由图甲判断下列说法正确的是。 A.实验中滑块的质量应远小于重物的质量 B.实验中滑块的质量应远大于重物的

21、质量 C.实验中与滑块相连的轻绳与桌面一定要平行 D.实验中与滑块相连的轻绳与桌面可以不平行 (2)由图乙可得滑块的质量为m=kg,滑块与桌面间的动 摩擦因数为=。 -41- 答案: (1)C(2)0.50.3 解析: (1)绳子拉力由弹簧秤的示数直接读出,不需要钩码的重力代 替,所以不需要满足钩码的质量远小于小车质量,故AB错误;实验中 与滑块相连的轻绳与桌面一定要平行,故C正确,D错误。故选C。 -42- 4.(2018宁夏银川一模)某同学设计了一个如图1所示的装置测定滑 块与木板间的动摩擦因数,其中A为滑块,B和C是质量可调的砝码, 不计绳和滑轮的质量及它们之间的摩擦,装置水平放置。实验

22、中该 同学在砝码总质量(m+m=m0)保持不变的条件下,改变m和m的大 小,测出不同m下系统的加速度a,然后通过实验数据的分析就可求 出滑块与木板间的动摩擦因数。 -43- (1)该同学手中有打点计时器、纸带、质量已知且可随意组合的砝 码若干、滑块、一端带有定滑轮的长木板、细线,为了完成本实验, 得到所要测量的物理量,还应有。 A.秒表B.毫米刻度尺 C.天平D.低压交流电源 (2)实验中,该同学得到一条较为理想的纸带,如图2所示,从清晰的O 点开始,每隔4个点取一计数点(中间4个点没画出),分别记为A、B、 C、D、E、F,各计数点到O点的距离为OA=1.61 cm,OB=4.02 cm,O

23、C=7.26 cm,OD=11.30 cm,OE=16.14 cm,OF=21.80 cm,打点计时 器打点频率为50 Hz,则由此纸带可得到打E点时滑块的速度vE= m/s,此次实验滑块的加速度a=m/s2。(结果均保留两位 有效数字) (3)在实验数据处理中,该同学以m为横轴,以系统的加速度a为纵轴, 绘制了如图3所示的实验图线,结合本实验可知滑块与木板间的动 摩擦因数=。(g取10 m/s2) -44- 答案: (1)BD(2)0.530.81(3)0.3 解析: (1)打点计时器通过打点即可知道时间,故不需要秒表,故A错 误;实验需要测量两点之间的距离,需要毫米刻度尺,故B正确;本实 验中可以不测滑块的质量,而且砝码的质量已知,天平可以不选,故C 错误;打点计时器要用到低压交流电源,故D正确

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