高中物理课件实验：探究加速度与力、质量的关系

第四章第节实验理论指导典题案例导析知能演练提升题型一题型二题型三 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 。 二 、 实 验 原 理 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)探 究 加 速 度 与 力 的 关 系 的 基 本 思 路 ： 保 持 物 体 的 质量 不 变 ， 测 量 物 体 在 不 同 力 的 作 用 下 的 加 速 度 ， 分 析 加速 度 与 力 的 关 系 。 (2)探 究 加 速 度 与 质 量 的 关 系 的 基 本 思 路 ： 保 持 物 体 所受 的 力 不 变 ， 测 量 不 同 质 量 的 物 体 在 该 力 作 用 下 的 加 速 度 ，分 析 加 速 度 与 质 量 的 关 系 。 (3)实 验 方 案 ： 这 个 实 验 中 需 要 测 量 的 物 理 量 有 三 个 ：物 体 的 加 速 度 、 物 体 所 受 的 力 、 物 体 的 质 量 。 质 量 用 天 平测 量 ， 因 此 本 实 验 要 解 决 的 主 要 问 题 是 怎 样 测 量 加 速 度 和物 体 所 受 的 力 。 怎 样 测 量 (或 比 较 )物 体 的 加 速 度 ： 在 运 动 物 体 上 安 装 一 条 穿 过 打 点 计 时 器 的 纸 带 ， 根 据纸 带 上 打 出 的 点 来 测 量 加 速 度 。 在 这 个 实 验 中 也 可 以 测 加速 度 与 其 他 量 之 间 的 比 例 关 系 。 测 量 不 同 情 况 下 (即 不 同受 力 、 不 同 质 量 时 )物 体 加 速 度 的 比 值 就 可 以 了 。 怎 样 提 供 和 测 量 物 体 所 受 的 恒 力 ：设 计 的 实 验 装 置 如 图 4 2 1所 示 。图 4 2 1 a 对 此 实 验 中 力 的 理 解 ： 除 了 在 真 空 中 抛 出 或 落 下 的物 体 (仅 受 重 力 )外 ， 仅 受 一 个 力 的 物 体 几 乎 是 不 存 在 的 。 然而 ， 一 个 单 独 的 力 的 作 用 效 果 与 跟 它 大 小 、 方 向 都 相 同 的 合力 的 作 用 效 果 是 相 同 的 ， 因 此 ， 实 验 中 的 力 F的 含 义 可 以 是物 体 所 受 的 合 力 。 b 平 衡 摩 擦 力 ： 如 图 4 2 1所 示 ， 纸 带 穿 过 打 点 计 时器 。 为 了 消 除 摩 擦 力 对 小 车 的 影 响 ， 可 将 木 板 无 滑 轮 的 一 端稍 微 垫 高 一 些 ， 用 小 车 的 重 力 的 分 力 来 抵 消 它 所 受 到 的 摩 擦力 ， 直 到 小 车 不 挂 重 物 时 能 在 木 板 上 匀 速 运 动 为 止 。 当 挂 上 重 物 时 ， 只 要 重 物 的 质 量 远 小 于 小 车 的 质 量 ，那 么 我 们 可 近 似 认 为 托 盘 和 砝 码 所 受 的 重 力 大 小 等 于 小车 所 受 的 合 力 的 大 小 。 增 减 盘 中 砝 码 的 个 数 可 改 变 小 车所 受 到 的 合 力 。 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 、 砝 码 、 夹 子 、 细 绳 、 低 压 交流 电 源 、 导 线 、 天 平 (带 有 一 套 砝 码 )、 刻 度 尺 。 四 、 实 验 步 骤 (1)用 天 平 测 出 小 车 和 重 物 的 质 量 分 别 为 M0、 m0， 并把 数 值 记 录 下 来 。 (2)按 图 4 2 2将 实 验 器 材 安 装 好 (小 车 上 不 系 绳 )。图 4 2 2 (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 ， 直 到 打 点 计 时 器 正 常 工 作 后不 挂 重 物 的 小 车 在 斜 面 上 做 匀 速 直 线 运 动 为 止 (纸 带 上相 邻 点 间 距 相 等 )。 (4)将 重 物 通 过 细 绳 系 在 小 车 上 ， 接 通 电 源 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 此 时 所 挂 重 物 的 重 力 m0g。 (5)保 持 小 车 的 质 量 不 变 ， 改 变 所 挂 重 物 的 重 力 ，重 复 步 骤 (4)， 多 做 几 次 实 验 ， 每 次 小 车 从 同 一 位 置 释放 ， 并 记 录 好 相 应 纸 带 及 重 物 的 重 力 m1g、 m2g、 (6)保 持 小 车 所 受 合 外 力 不 变 ， 在 小 车 上 加 放 砝 码 ，并 测 出 小 车 与 所 放 砝 码 的 总 质 量 M1， 接 通 电 源 ， 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 。 (7)继 续 在 小 车 上 加 放 砝 码 ， 重 复 步 骤 (6)， 多 做几 次 实 验 ， 在 每 次 得 到 的 纸 带 上 标 上 号 码 。 五 、 数 据 处 理 (1)在 每 条 纸 带 上 选 取 一 段 比 较 理 想 的 部 分 ， 计 算出 加 速 度 a。 (2)当 小 车 质 量 M不 变 时 ， 将 每 次 测 出 的 小 车 受 到的 合 外 力 F和 相 应 的 加 速 度 a的 值 填 入 下 表 。 实 验 次 数 n 小 车 受 力 F/N 加 速 度 a/(ms 2)12345 表 1： M不 变 ， 加 速 度 a与 受 力 的 关 系 (3)当 小 车 所 受 合 外 力 不 变 时 ， 将 每 次 测 量 的 小 车质 量 M和 加 速 度 a的 值 填 入 下 表 。 表 2： F不 变 ， 加 速 度 与 质 量 的 关 系实 验 次 数 n 小 车 质 量 M/kg 加 速 度 a/(ms 2)12345 图 4 2 3(5)分 析 (a)、 (b)、 (c)三 个 图 像 ， 得 出 结 论 。 六 、 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 盘 和 砝 码 的 质 量 还 是 改 变 小 车 及 砝码 的 质 量 ， 都 不 需 要 重 新 平 衡 摩 擦 力 。 (2)实 验 中 必 须 满 足 小 车 和 砝 码 的 总 质 量 远 大 于 小 盘和 砝 码 的 总 质 量 。 (3)每 次 释 放 小 车 时 ， 小 车 应 靠 近 打 点 计 时 器 并 且 先接 通 电 源 再 放 小 车 ， 当 小 车 靠 近 滑 轮 时 用 手 按 住 小 车 。 (4)各 纸 带 上 的 加 速 度 a， 都 应 是 该 纸 带 上 的 平 均加 速 度 。 (5)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 。离 直 线 较 远 的 点 是 错 误 数 据 ， 可 舍 去 不 予 考 虑 。 七 、 误 差 分 析 (1)在 实 验 中 ， 我 们 认 为 钩 码 的 重 力 就 等 于 小 车 所受 的 合 力 。 但 这 是 有 误 差 的 ， 只 有 在 小 车 质 量 比 较 大 ，钩 码 重 力 比 较 小 ， 且 长 木 板 合 理 倾 斜 的 情 况 下 ， 实 验结 果 才 比 较 理 想 。 (2)质 量 测 量 、 长 度 测 量 中 也 存 在 偶 然 误 差 ， 可 通过 多 次 测 量 取 平 均 值 的 方 法 来 减 小 误 差 。 (3)平 衡 摩 擦 力 不 准 而 造 成 误 差 。 (4)描 点 作 图 时 存 在 误 差 。 八 、 它 案 设 计 用 气 垫 导 轨 探 究 加 速 度 与 力 、 质 量 的 关 系 (1)实 验 设 计 ： 让 滑 块 在 砝 码 拉 力 的 作 用 下 做 加 速 运 动 ， 记 录下 滑 块 通 过 光 电 门 的 速 度 、 砝 码 的 质 量 、 两 光 电 门 间的 距 离 。 保 持 滑 块 质 量 不 变 ， 通 过 增 加 (或 减 少 )砝 码 的数 量 来 改 变 拉 力 的 大 小 。 重 复 实 验 3次 。 (3)数 据 的 分 析 ： 设 计 实 验 表 格 ， 将 滑 块 质 量 不 变 时 的 实 验 数 据记 入 表 格 并 进 行 分 析 。 滑 块 质 量 M _kg 砝 码的 质量m/kg 滑 块 所受 拉 力大 小 的近 似 值F/N 滑 块 通 过光 电 门 1的 速 度v1/(ms 1) 滑 块 通 过光 电 门 2的 速 度v2/(ms 1) 两 光 电门 间 的距 离x/m 滑 块 加 速 度的 计 算 值a/(ms 2) 我 们 认 为 砝 码 的 重 力 等 于 滑 块 所 受 到的 拉 力 ， 但 这 是 有 条 件 的 ， 即 滑 块 的 质 量 比砝 码 的 质 量 大 得 多 ， 滑 块 的 加 速 度 不 能 太 大 。 例 1 下 面 是 “探 究 加 速 度 与 力 、 质 量 的 关 系 ”实 验 步 骤 ： 用 天 平 测 出 小 车 质 量 M和 小 盘 质 量 m 安 装 好 打 点 计 时 器 ， 在 小 车 上 装 好 纸 带 调 整 长 木 板 的 倾 斜 程 度 在 小 盘 中 加 入 适 量 的 砝 码 m1 保 持 小 车 质 量 一 定 时 ， 探 究 加 速 度 与 力 的 关 系 保 持 小 车 所 受 拉 力 一 定 时 ， 探 究 加 速 度 与 质 量 的 关 系 (1)步 骤 的 目 的 是 _。 (2)步 骤 中 ， 要 求 小 盘 和 砝 码 总 质 量 (m m1)_小 车 质 量 M。 (3)步 骤 和 ， 表 明 该 实 验 采 用 的 科 学 方 法是 _。 解 析 (1)步 骤 是 为 了 平 衡 掉 小 车 与 木 板 、 纸 带 与打 点 计 时 器 间 的 摩 擦 力 ， 使 小 车 所 受 的 合 力 等 于 小 盘 和 砝码 的 重 力 。 (2)步 骤 中 ， 要 求 小 盘 和 砝 码 总 质 量 (m m1)远 小 于小 车 的 质 量 M。 (3)该 实 验 采 用 的 是 控 制 变 量 法 。 答 案 (1)平 衡 摩 擦 力 (2)远 小 于 (3)控 制 变 量 法 图 4 2 4 例 2 在 “探 究 加 速 度 与 力 、质 量 的 关 系 ”的 实 验 中 ， 采 用 图4 2 4所 示 的 装 置 。 (1)本 实 验 应 用 的 实 验 方 法是 _。 A 控 制 变 量 法 B 假 设 法 C 理 想 实 验 法 (3)某 同 学 测 得 小 车 的 加 速 度 a和 拉 力 F的 数 据 如表 所 示 ： (小 车 质 量 保 持 不 变 )F/N 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60a/(ms 2) 0.10 0.20 0.28 0.40 0.52 根 据 表 中 的 数 据 在 坐 标 图 4 2 5上 作 出 a F图 像 。图 4 2 5 图 线 不 过 原 点 的 原 因 可 能 是 _。 (3) 作 出 的 a F图 像 如 图 所 示 。 由 a F图 像 可 知 ， 当 力 F0.1 N时 ， 小 车 没 有 动 ，说 明 此 时 小 车 所 受 的 摩 擦 力 没 有 完 全 平 衡 掉 。 答 案 (1)A (2)CD (3) 图 见 解 析 未 平 衡 摩 擦 力 或 平 衡 摩 擦 力 不 够 例 3 在 “探 究 加 速 度 与 物 体 质 量 、 物 体 受 力 的关 系 ”实 验 中 ， 某 小 组 设 计 了 如 图 4 2 6所 示 的 实 验装 置 。 图 4 2 6 (1)由 于 滑 块 M与 轨 道 间 有 气 垫 ， 所 以 M受 到 的 阻力 极 小 ， 可 以 忽 略 不 计 。 实 验 前 需 要 调 整 气 垫 导 轨 底座 使 之 水 平 ， 利 用 现 有 器 材 如 何 判 断 导 轨 是 否 水 平 ？ (2)为 了 使 钩 码 所 受 的 重 力 等 于 使 滑 块 做 匀 加 速 运动 的 力 ， 要 求 所 挂 钩 码 的 质 量 m与 滑 块 的 质 量 M应 满足 什 么 关 系 ？ (3)实 验 中 获 得 的 数 据 如 下 表 所 示 ：m 0.004 kg F 0.039 2 N x 0.500 m 试 根 据 表 中 所 给 的 数 据 ， 在 如 图 4 2 7所 示 的坐 标 系 中 先 标 出 各 坐 标 轴 所 表 示 的 合 适 的 物 理 量 及 标度 ， 然 后 作 出 相 关 图 像 。图 4 2 7 进 而 完 成 探 究 在 相 同 力 的 作 用 下 ， 物 体 的 加 速 度与 滑 块 质 量 的 关 系 。 结 论 ： 在 保 持 物 体 所 受 的 合 外 力 不 变 的 情 况下 ， 物 体 的 加 速 度 跟 质 量 成 反 比 。 答 案 见 解 析