第2节　实验：探究加速度与力、质量的关系 课件

物理第四章运动和力的关系第2节实验：探究加速度与力、质量的关系01基础储备明确原理02热点实验典例解读一、实验目的1．学会用控制变量法探究物理规律．2．探究加速度与力、质量的关系．3．掌握利用图像处理数据的方法．二、实验原理采用控制变量法，在探究加速度与力、质量三者关系时，先让其中一个量保持不变来探究其他两个量之间的关系．1．控制小车的质量M不变，分析加速度a与力F的关系．2．控制砝码和小盘的质量不变，即力F不变，改变小车的质量M，分析加速度a与M的关系．三、实验器材打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、重物、夹子、细绳、交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺．四、实验步骤1．测质量：用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0.2．安装器材：按如图所示将实验器材安装好(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块，反复移动其位置，使小车在不挂小盘和砝码的情况下，能沿木板做匀速直线运动(纸带上相邻点的间距相等)．4．测a、F(1)把小车停在打点计时器处，挂上小盘和砝码，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，纸带记录了小车的运动情况，取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂小盘和砝码的总重力m1g.(2)保持小车的质量不变，改变小盘中砝码的质量，重复步骤(1)，多做几次实验，并记录好相应纸带的编号及所挂小盘和砝码的总重力m2g，m3g，…5．测a、M(1)保持小车所受的合外力不变，在小车上加砝码，接通电源后放开小车，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带，并在纸带上标上号码及小车和砝码的总质量M1.(2)继续在小车上增加砝码，重复步骤(1)，多做几次实验，在每次实验得到的纸带上标上号码及小车和砝码的总质量M2，M3，…五、数据处理1．把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中．物理量123456作用力F

加速度a

以a为纵坐标、F为横坐标，根据数据作a－F图像，找出规律，分析a与F的关系．2．把不同质量的小车(小车和砝码)在相同力的作用下产生的加速度大小填在表中．3．实验结论(1)保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受力F成正比．(2)在力F不变时，物体的加速度a与质量M成反比．六、误差分析1．系统误差：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．小盘和砝码的总质量越接近于小车的质量，误差越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，由此引起的误差就越小．因此，要求小盘和砝码的总质量远小于小车的质量是为了减小因实验原理不完善而引起的误差．2．偶然误差：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．七、注意事项1．平衡摩擦力时不要挂重物．整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的质量还是改变小车和砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力．2．实验中必须使小车和砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量．3．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，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车．4．作图像时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧．热点一实验原理和实验操作

【例1】在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时，采用如图所示的实验装置，小车及车中的砝码的总质量用M表示，盘及盘中的砝码的总质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带上的由打点计时器打出的点计算得出．(1)当M与m的大小关系满足________时，才可以认为细线对小车的拉力大小等于盘和盘中砝码的重力．(2)一组同学在保持盘及盘中的砝码质量一定的情况下，探究加速度与小车质量的关系．以下做法正确的是________．(3)在保持小车及车中的砝码质量M一定，探究加速度与所受合外力的关系时，由于平衡摩擦力时操作不当，两位同学得到的a－F关系分别如图中甲、乙所示(a是小车的加速度，F是细线作用于小车的拉力)，其原因分别是：甲图：_____________________________________.乙图：___________________________________.[针对训练1]

(多选)如图所示的“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，下列说法正确的是(

)A．应尽量保证小车的总质量远小于槽码的总质量B．应将木板右端适当垫高以补偿阻力C．应保证牵引小车的细线与木板平行D．应采用控制变量法分别研究加速度与质量及加速度与力的关系√√√解析：“探究加速度与力、质量的关系”实验原理为：近似认为槽码的总重力为小车所受合力，所以需要补偿阻力，需要牵引小车的细线与木板平行，B、C正确；实验中运用控制变量法研究各量间的关系，D正确；应使槽码的总质量远小于小车的总质量，A错误．热点二数据处理和误差分析

【例2】(2022·湖北宜城三中期中)某实验小组用如图甲所示的实验装置图，做“探究加速度与质量的关系”的实验．(1)如果某次实验打点计时器打出的一条记录小车运动的纸带如图乙所示，取计数点A、B、C、D、E、F、G，纸带上两相邻计数点的时间间隔为T

＝0.10s，用刻度尺测量出各相邻计数点间的距离如图乙所示(单位：cm)，则小车运动的加速度大小a＝________m/s2，打纸带上C点时小车的瞬时速度大小vC＝________m/s.(结果均保留2位有效数字)(2)如果实验由于没有注意始终满足M≫m的条件，结果得到的图像应是下图中的________．[易错警示]

实验中作出的a－F图像有时不过原点，造成这种现象的主要原因是：实验中没有考虑所挂重物的托盘的质量，误将重物的重力等于拉力F，或是平衡摩擦力时垫得太高了，此时会出现图像甲的情况；若实验中没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不充分，则会出现图像乙的情况．[针对训练2]如图所示“探究加速度与力的关系”的实验装置.(1)平衡摩擦力时，要先________(选填“挂上”或“取下”)钩码进行实验操作.(2)平衡摩擦力后，在小车内放入4个相同的砝码，并保持小车和砝码的总质量不变．逐渐增加钩码的个数，测量小车(包括砝码)的加速度和钩码重力，探究加速度与力的关系．这样操作比不在小车上放砝码而进行同样的实验，结果会更______(选填“准确”或“不准确”)．(3)如果平衡摩擦力时过度，木板与桌面的夹角偏大，挂1个钩码时，测得小车的加速度为a，挂2个钩码时，测得小车的加速度为a′，则a′______2a(选填“＞”或“＜”)．解析：(1)由于平衡摩擦力时是利用小车重力沿斜面方向上的分力与摩擦力平衡，检验的方法是看小车是否做匀速运动，故操作过程中应将钩码取下．(2)在本实验中是将钩码重力作为小车所受合力的，而实际上当小车加速运动时钩码也加速下降，绳中拉力小于钩码的重力，且钩码相对小车质量越大，这种系统误差越大，故在小车上放置砝码越多，系统误差越小．(3)当木板与桌面间夹角偏大时，重力沿板面的分力大于摩擦力，二者合力设为F0，则挂1个钩码时有mg＋F0＝Ma，挂2个时2mg＋F0＝Ma′，可见Ma′＝2mg＋F0<2mg＋2F0＝2Ma，即a′<2a.答案：(1)取下(2)准确(3)<热点三实验改进与创新

【例3】如图，小明同学利用拉力传感器和速度传感器探究加速度与物体受力的关系，在长木板上相距为L的两点各安装一个速度传感器A、B，分别记录小车到达A、B时的速率，主要实验步骤如下：①调整长木板的倾斜角度，平衡小车受到的摩擦力；②释放小车，让小车依次经过A、B速度传感器，记录速度vA、vB和拉力传感器的数值F；③增加钩码数量，重复步骤②③，得到多组数据；④利用以上各组数据计算出小车加速度a，并作出a－F

图像．(1)本实验有关的说法正确的是________．A．两速度传感器之间的距离应适当远些B．平衡小车受到的摩擦力时要挂上钩码C．改变所挂钩码的数量时，要使所挂钩码的质量远小于小车质量D．不必用天平测出小车和车上的拉力传感器的总质量(2)步骤④中小车加速度a＝__________________(请用题中符号表示)．(3)根据本实验作出的a－F图像最接近_______________________．[解析]

(1)两速度传感器之间的距离应适当远些，增大L，可以减小误差，故A正确；平衡摩擦力时，不能将钩码通过细线挂在小车上，只让小车拖着纸带在木板上匀速运动，故B错误；由于拉力是通过传感器测得的，故不需要满足所挂钩码的质量远小于小车质量，故C错误；由于探究加速度与物体受力的关系，所以不必用天平测出小车和车上的拉力传感器的总质量，故D正确．[针对训练3]两个相同的小车并排放在光滑水平桌面上，小车前端系上细线，线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘里分别放有不同质量的砝码(图甲)．小车所受的水平拉力F的大小可以认为等于砝码(包括砝码盘)所受的重力大小．小车后端也系有细线，用一只夹子夹住两根细线(图乙)，控制两辆小车同时开始运动和结束运动．解析：实验过程中