人教版高中物理必修一42《实验探究加速度与力质量的关系》学案Word格式文档下载.docx
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一、实验方案的设计
1.三个物理量的测量方法——体会近似法
本实验的研究对象:
放在“光滑”“水平面”上的小车(装置如图421所示).
图421
(1)小车质量的测量:
利用天平测出,在小车上增减砝码可改变小车的质量.
(2)拉力的测量:
当小桶和砂的质量远小于小车质量的情况下,可以认为小桶和砂的重力近似等于小车所受的拉力(合外力),即F≈mg.
图422
(3)加速度的测量:
由纸带根据公式Δx=aT2,结合逐差法计算出小车的加速度.
2.实验数据的处理方法——图象法、“化曲为直”法
(1)研究加速度a和力F的关系
以加速度a为纵坐标,以力F为横坐标,根据测量数据描点,然后作出图象,如图422所示,若图象是一条通过原点的直线,就能说明a与F成正比.
(2)研究加速度a与质量m的关系如图423所示,因为am图象是曲线,检查am图象是不是双曲线,就能判断它们之间是不是反比例关系,但检查这条曲线是不是双曲线,相当困难.若a和m成反比,则a与
必成正比.我们采取“化曲为直”的方法,以a为纵坐标,以
为横坐标,作出a
图象,若a
图象是一条直线,说明a与
成正比,即a与m成反比.
图423
二、实验步骤
1.用天平测出小车的质量M,并把数值记录下来.
2.按图424所示的装置把实验器材安装好(小车上先不系绳).
图424
3.平衡摩擦力:
在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块,反复移动木块位置,直到轻推小车在斜面上运动时可保持匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等).
4.在小桶里放入适量的砂,通过细绳系在小车上,在小车上加放适量的砝码,用天平测出小桶和砂的质量m,记录下来.接通电源,放开小车,待打点计时器在纸带上打好点后取下纸带,并设计表格如下.
5.保持小车的质量不变,改变砂和小桶的质量,按步骤4再做5次实验.
6.在每条纸带上选取一段比较理想的部分,算出每条纸带对应的加速度的值,填入表格中.
7.用纵坐标表示加速度,横坐标表示作用力,根据实验结果画出小车运动的aF图象,从而得出aF的关系.
8.保持砂和小桶的质量不变,在小车上加放砝码,重复上面的实验,求出相应的加速度,并设计表格如下.根据实验结果画出小车运动的a
图象,从而得出aM的关系.
9.整理实验器材,结束实验.
三、误差分析
1.托盘和砝码的总重力约等于小车所受的合外力,但会带来一定的误差.小车的质量与砂桶和砂的总质量相差越大,这种误差越小.
2.为减小长度测量时的偶然误差,可进行多次测量取平均值.
3.没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不好,实验中作出的aF或a
图象不过原点.
四、注意事项
1.实验中小车靠近打点计时器且应先接通电源后释放小车.
2.在平衡摩擦力时,不要悬挂小桶,但小车应连着纸带且接通电源.用手轻轻地给小车一个初速度,如果在纸带上打出的点的间隔均匀,表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡.
3.改变砂的质量过程中,要始终保证砂桶(包括砂)的质量远小于小车的质量.
4.作图时应使所作的直线通过尽可能多的点,不在直线上的点也要尽可能的对称分布在直线的两侧,但若遇到个别偏离较远的点可舍去.
例1
用如图425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:
图425
A.用天平称出小车和小桶及内部所装砂子的质量;
B.按图装好实验器材;
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质量;
E.保持小桶及其中砂子的质量不变,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aM关系图象,并由图象确定aM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做与小车所受拉力大小相等,没有考虑摩擦力,故必须平衡摩擦力.电磁打点计时器接在6V电压的蓄电池上将无法工作,必须接在6V以下交流电压的学生电源上.作aM关系图象,得到的是双曲线,很难作出正确的判断,必须“化曲为直”,改作a
关系图象.
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 aM a
借题发挥 平衡摩擦力的方法:
将不带定滑轮的一端适当垫高,在不挂托盘情况下,使小车带动着纸带(打点计时器打点时),沿长木板恰好做匀速直线运动.目的:
使托盘与砝码的重力等于小车受到的合力.
例2
在“探究加速度与力、质量的关系”活动中,某小组设计了如图426所示的实验装置.图中上下两层水平轨道表面光滑,两小车前端系上细线,细线跨过滑轮并挂上砝码盘,两小车尾部细线连到控制装置上,实验时通过控制装置使两小车同时开始运动,然后同时停止.
图426
(1)在安装实验装置时,应调整滑轮的高度,使________;
在实验时,为减小系统误差,应使砝码盘和砝码的总质量________(选填“远大于”“远小于”或“等于”)小车的质量.
(2)本实验通过比较两小车的位移来比较小车加速度的大小,能这样比较,是因为
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________.
(3)实验中获得数据如下表所示:
小车Ⅰ、Ⅱ的质量均为200g.
在第1次实验中小车Ⅰ从A点运动到B点的位移如图427所示,请将测量结果填到表中空格处.通过分析,可知表中第________次实验数据存在明显错误,应舍弃.
图427
解析
(1)拉小车的水平细线要与轨道平行.只有在砝码盘和砝码的总质量远小于小车质量时,才能认为砝码盘和砝码的总重力等于细线拉小车的力.
(2)对初速度为零的匀加速直线运动,时间相同时,根据x=
at2,得
=
.
(3)刻度尺的最小刻度是1mm,
要估读到毫米的下一位.
读数为23.86cm-0.50cm=23.36cm.
答案
(1)细线与轨道平行(或水平) 远小于
(2)两小车从静止开始做匀加速直线运动,且两小车的运动时间相等 (3)23.36(23.34~23.38均对) 3
例3
“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图428甲所示.
图428
(1)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带如图428乙所示.计时器打点的时间间隔为0.02s.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.该小车的加速度大小a=________m/s2.(结果保留两位有效数字)
(2)平衡摩擦力后,将5个相同的砝码都放在小车上.挂上砝码盘,然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中,测量小车的加速度.小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表:
图429
请根据实验数据在图429中作出aF的关系图象.
(3)根据提供的实验数据作出的aF图线不通过原点,请说明主要原因.
解析
(1)计数点时间间隔T=0.1s,间距x1=3.52cm.x2=3.68cm,x3=3.83cm.
因x2-x1=a1T2,x3-x2=a2T2,a=
,得a=
=0.16m/s2.
(2)aF图象如图所示.
(3)设砝码盘的重力为F0,则a=
+
,因F0≠0,故F=0时,a≠0,图线不过原点.
答案
(1)0.16
(2)aF图象见解析图 (3)未计入砝码盘重力或砝码盘的重力不能忽略.
借题发挥 实验中作出的aF图象有时不过原点,如图4210所示.造成这种现象的主要原因是:
实验中没有考虑砝码托盘的质量,误将砝码的重力等于拉力F,或是平衡摩擦力时垫得太高了,会出现图象甲的情况;
实验中没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不充分,会出现图象乙的情况.
图4210
在探究加速度与力、质量的关系实验中,小车及车中砝码的质量用M表示,盘及盘中砝码的质量用m表示,小车的加速度可由小车后拖动的纸带打上的点计算出.
(1)当M与m的大小关系满足________时,才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘及盘中砝码的重力.
(2)一组同学在做加速度与质量的关系实验时,保持盘及盘中砝码的质量一定,改变小车及车中砝码的质量,测出相应的加速度,采用图象法处理数据.为了比较容易地观测加速度a与质量M的关系,应该做a与________的图象.
图4211
(3)乙、丙同学用同一装置做实验,画出了各自得到的a
图线如图4211所示,两个同学做实验时的盘及盘中砝码的质量m乙________(填“大于”“小于”或“等于”)m丙.
解析
(1)验证牛顿第二定律的实验中,要保证M≫m,才能保证绳子的拉力约等于m的重力;
(2)根据牛顿第二定律可知,合力一定时,a与M成反比,因为反比例函数图象是曲线,而根据曲线很难判定出自变量和因变量之间的关系;
正比例函数图象是过坐标原点的一条直线,就比较容易判定自变量和因变量之间的关系.所以实验数据处理时作出a与
的图象;
(3)在小车质量M相同的情况下,拉力越大,加速度越大,实验中我们又认为绳对小车的拉力大小等于盘和盘中砝码的重力.所以两个同学做实验时盘中砝码的质量不同,m乙大于m丙.
答案
(1)M≫m
(2)
(3)大于
(时间:
60分钟)
1.在利用打点计时器探究加速度与力、质量关系的实验中,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.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,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,对探究过程也不会产生影响
答案 B
2.
图4212
如图4212所示,在探究加速度和力、质量关系的实验中,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