1、实验三 加速度与物体质量、物体受力的关系,基础过关,一、实验目的,1.学会用 控制变量 法研究物理规律。,2.探究加速度与物体质量、物体受力的关系。 3.掌握灵活运用图像处理数据的方法。,二、实验原理,1.保持 质量 不变,探究加速度跟物体受力的关系。,2.保持物体所受 合外力 不变,探究加速度与物体质量的关系。,3.作出a-F图像和a- 图像,确定其关系。 三、实验器材 小车、砝码、小盘、细绳、一端有定滑轮的长木板、薄木块、打点计 时器、低压交流电源、导线、纸带、复写纸、天平、刻度尺。,四、实验步骤 1.测量:用 天平 测量小盘和砝码的质量m和小车的质量m。,2.安装:按照如实验原理图所示装
2、置把实验器材安装好,只是不把悬挂小 盘的细绳系在小车上(即不给小车牵引力)。,3.平衡摩擦力:在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块,使小 车能 匀速 下滑。,4.操作 (1)小盘通过细绳绕过定滑轮系于小车上,先 接通电源 后 放开小车 ,取下纸带编号码。 (2)保持小车的质量m不变,改变砝码和小盘的质量m,重复步骤(1)。 (3)在每条纸带上选取一段比较理想的部分,测加速度a。 (4)描点作图,作a-F的图像。 (5)保持砝码和小盘的质量m不变,改变小车质量m,重复步骤(1)和(3),作a - 图像。,五、数据处理,1.用逐差法求加速度。,2.作a-F图像、a- 图像找关系。 六、注意
3、事项,1.在平衡摩擦力时,不要把悬挂小盘的细绳系在小车上,即不要给小车加 任何牵引力,且要让小车拖着纸带匀速运动。,2.不重复平衡摩擦力。,3.实验条件:小车的质量m远大于小盘和砝码的总质量m。,4.一先一后一按住: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,且应在小车到达定滑轮前按住 小车。 七、误差分析,1.因实验原理不完善引起误差 以小车、小盘和砝码整体为研究对象得mg=(m+m)a 以小车为研究对象得F=ma,求得F= mg= mgmg,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
4、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。,考点一 实验原理与实验操作,考点二 实验数据处理与误差分析,考点突破,考点三 实验的拓展与创新,考点一 实验原理与实验操作,例1 (2018苏州调研)在“探究加速度与小车质量关系”实验中,实验 小组采用如图所示的装置。M表示小车及砝码的总质量,m表示砂桶及 砂的总质量。,(1)为使实验中小车所受合外力等于细线的拉力,应采取的措施是 ;为使细线对小车拉力大小近似等于砂桶和砂的重力 mg,应控制的实验条件是 。 (2)在控制砂桶和砂的质量一定的情况下,该实验小组测得的实验,数据如表所示,为了直观反映加速
5、度大小与小车及砝码总质量的关系, 请在方格坐标纸中选取恰当的物理量建立坐标系,并作出相应的图线, 根据图线判断,实验产生误差的最主要原因是: 。,答案 (1)平衡摩擦力 Mm (2)图见解析 小车质量变小时,不能满足小车质量远大于砂和砂桶的 总质量,解析 (1)小车运动时受到重力、细线的拉力、支持力和摩擦力,要使 拉力等于合力,则应该用重力的下滑分量来平衡摩擦力,故可以将长木 板的一端垫高,所以应采取的措施是平衡摩擦力;砂桶和砂加速下滑,处 于失重状态,其对细线的拉力小于重力,要使其对细线的拉力近似等于 重力,应该使加速度减小,所以砂桶和砂的质量应该远小于小车的质量, 即mM。,(2)根据描点
6、作图法可得:,砂和砂桶的总质量没有远小于小车及砝码的总质量,小车及砝码受到的 拉力明显小于砂桶和砂的重力,a-F图像发生弯曲,不再是直线。,考点二 实验数据处理与误差分析,例2 (2019启东中学月考)某实验小组应用如图所示装置“探究加速度 与物体受力的关系”,已知小车的质量为M,单个钩码质量为m,打点计时 器所接的交流电的频率为50 Hz,动滑轮轻质。实验步骤如下:,按图所示安装好实验装置,其中与定滑轮及弹簧测力计相连的轻绳竖 直; 调节长木板的倾角,轻推小车后,使小车能沿长木板向下匀速运动; 挂上钩码,接通电源后,再放开小车,打出一条纸带,由纸带求出小车的 加速度; 改变钩码的数量,重复步
7、骤,求得小车在不同合力作用下的加速 度。 根据以上实验过程,回答以下问题:,(1)对于上述实验,下列说法正确的是 。 A.钩码的质量应远小于小车的质量 B.实验过程中钩码处于超重状态 C.与小车相连的轻绳与长木板一定要平行 D.弹簧测力计的读数应为钩码重力的一半 (2)实验中打出的其中一条纸带如图所示,由该纸带可求得小车的加速 度a= m/s2(结果保留两位有效数字)。若交流电的实际频率 大于50 Hz,则上述计算结果与实际值相比 (选填“偏大”,“偏小”或“相同”)。,(3)由本实验得到的数据作出小车的加速度a与弹簧测力计的示数F 的关系图像,与本实验相符合的是 。,答案 (1)C (2)0
8、.88 偏小 (3)A,解析 (1)由图可知,实验装置里有弹簧测力计,轻绳的拉力可以通过弹 簧测力计读出,不需要钩码的质量远小于小车的质量,故A项错误;实验 过程中,钩码向下加速运动,处于失重状态,故B项错误;与小车相连的轻 绳与长木板一定要平行,保证拉力沿着木板方向,故C项正确;实验过程 中,钩码向下加速运动,处于失重状态,故弹簧测力计的读数小于钩码重 力的一半,故D项错误。,(2)设相邻两个计数点之间的位移分别为x1、x2、x3、x4,相邻两个计数点 之间的时间间隔T=0.1 s,由x=aT2结合逐差法得a= =0.88 m,/s2,如果在某次实验中,实际所用交流电的频率高于50 Hz,那
9、么实际打点 周期变小,根据运动学公式得计算结果与实际值相比偏小。 (3)由题意可知,小车的加速度a与弹簧测力计的示数F的关系应该是成 正比,即过原点的一条倾斜直线,故A符合。,考点三 实验的拓展与创新,1.实验器材的改进 气垫导轨(不用平衡摩擦力) 长木板,2.数据测量方法的改进,3.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。,例3 (2018苏锡常镇四市一调)如图甲所示是小明同学探究加速度与力 的关系的实验装置。他在气垫导轨上安装了一个光电门B,滑块上固定 一遮光条,滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连,传 感器下方悬挂钩码,每次滑块都从A处由静止
10、释放。,(1)小明用游标卡尺测量遮光条的宽度d,示数如图乙所示,则d= mm。 (2)实验时,将滑块从A位置由静止释放,由数字计时器读出遮光条通过光 电门B的时间t,若要得到滑块的加速度,还需要测量的物理量c是 (用文字表述)。 (3)小亮同学认为:无需测出上述c和d,只要画出以F(力传感器示数)为横 坐标、以 为纵坐标的图像就能直接反映加速度与力的关 系。,(4)(多选)下列实验操作和要求必要的是 (请填写选项前对应 的字母)。 A.应将气垫导轨调节水平 B.应测出钩码和力传感器的总质量 C.应使A位置与光电门间的距离适当大些 D.应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量,答案 (1)2.3
11、0 (2)遮光条到光电门的距离 (3) (4)AC,解析 (1)由图知第6条刻度线与主尺对齐,d=2 mm+60.05 mm=2.30 mm; (2)实验时,将滑块从A位置由静止释放,由数字计时器读出遮光条通过光 电门B的时间t,滑块经过光电门时的瞬时速度可近似认为是滑块经过光 电门的平均速度。根据运动学公式知若要得到滑块的加速度,还需要测 量的物理量是遮光条到光电门的距离L。 (3)根据F=ma,而 =2aL,vB= 联立解得F= ,则无需测出上述c和d,只,要画出以F(力传感器示数)为横坐标、以 为纵坐标的图像就能直接反 映加速度与力的关系。 (4)应将气垫导轨调节水平,使拉力等于合力,故
12、A项正确;拉力的大小可 从力传感器中读出,则没必要测出钩码和力传感器的总质量,选项B项错 误;应使A位置与光电门间的距离适当大些,可以增大测量长度,从而有 利于减小误差,故C项正确;拉力是直接通过力传感器测量的,故与滑块 质量和钩码质量大小无关,故D项错误。,(2018南京、盐城二模)在探究物体质量一定时加速度与力的关系实验 中,小明同学做了如图甲所示的实验改进,在调节桌面水平后,添加了力 传感器用来测细线的拉力。,随堂巩固,(1)关于该实验的操作,下列说法正确的是 。 A.必须用天平测出砂和砂桶的质量 B.一定要保证砂和砂桶的总质量远小于小车的质量,C.应当先释放小车,再接通电源 D.需要改
13、变砂和砂桶的总质量,打出多条纸带,(2)实验得到如图乙所示的纸带,已知打点计时器使用的交流电源的频 率为50 Hz,相邻两计数点之间还有四个点未画出,由图中的数据可知,小 车运动的加速度大小是 m/s2。(计算结果保留三位有效数字) (3)由实验得到小车的加速度a与力传感器示数F的关系如图丙所示。则 小车与轨道的滑动摩擦力Ff= N。,(4)小明同学不断增加砂子质量重复实验,发现小车的加速度最后会趋 近于某一数值,从理论上分析可知,该数值应为 m/s2。,答案 (1)D (2)2.40 (3)1.0 (4)5或4.9,解析 (1)本题拉力可以由力传感器测出,不需要用天平测出砂和砂桶 的质量,也就不需要使砂桶(包括砂)的质量远小于小车的总质量,故A项 错误,B也错误;打点计时器运作时,都是先接通电源,待打点稳定后再释 放纸带,故C项错误;该实验探究加速度与力和质量的关系,需要改变砂 和砂桶的总质量,打出多条纸带,故D项正确。 (2)相邻两计数点之间还有四个点未画出,所以T=0.1 s,根据x=aT2,得a= = m/s2=2.40 m/s2。,(3)根据牛顿第二定律得2F-Ff=ma,a=0时,Ff=2F=1.0 N。 (4)设细线拉力为T,小车质量为m,砂和砂桶的总质量为m,根据牛顿第二 定律得Mg-T=2Ma,2T=ma 联立解得a= = ,当m无穷大时,a=5 m/s2。,
