实验4：探究牛顿第二定律

第5课时实验:探究加速度与力、质量的关系实验详解要点例析一、实验目的1.学会用控制变量法研究物理规律.2.学会灵活运用图象处理物理问题的方法.3.探究加速度与力、质量的关系.实验详解逐项说明·掌握技能二、实验原理1.当研究对象有两个以上的参量发生变化时,设法控制某些参量使之不变,而研究另外两个参量之间的变化关系,这种方法叫控制变量法.2.本实验中有力F、质量M和加速度a三个变量,研究a与F及M的关系时,先控制质量M不变,研究a与F的关系;然后再控制力F不变,研究a与M的关系.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、细绳、低压交流电源、导线、天平(带砝码)、刻度尺.四、实验步骤1.用天平测出小车和小盘的质量,把数值记录下来.2.把一端附有定滑轮的长木板放在实验桌上,并使滑轮伸出桌面,把打点计时器固定在长木板上远离滑轮的一端,连接好电路.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板,反复移动木板的位置,直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态.4.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.计算小盘和砝码的重力,即为小车所受的合力,由纸带计算出小车的加速度,并把力和对应的加速度填入表(一)中.表(一)实验次数加速度a/(m·s-2)小车受力F/N12345.改变小盘内砝码的个数,重复步骤4,并多做几次.6.保持小盘内的砝码质量不变,在小车上放上砝码改变小车的质量,让小车在木板上滑动并打出纸带.计算砝码和小车的总质量M,由纸带计算出小车对应的加速度.并将所对应的质量和加速度填入表(二)中.7.改变小车上砝码的个数,重复步骤6,并多做几次.表(二)实验次数加速度a/(m·s-2)小车与小车上砝码的总质量M/kg123五、数据处理1.先在纸带上标明计数点,测量各计数点间的距离,根据公式a=2Tx计算加速度.2.根据记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力F,建立直角坐标系,描点画aF图象,如果图象是一条过原点的直线,便证明加速度与作用力成正比.再根据记录的各组对应的加速度a与小车和小车上砝码的总质量M,建立直角坐标系,描点画aM1图象,如果图象是一条过原点的直线,就证明了加速度与质量成反比.温馨提示因a与M成反比,a与M1是正比例关系,故aM1图象是直线,aM图象是曲线,在研究两个量的关系时,直线更易确定它们之间的关系,故本实验作aM1图象.六、误差分析产生原因减小方法测量误差:①质量测量不准确②纸带上所打点间距测量不准(1)多次测量取平均值(2)舍掉纸带上开头较密集的点,在后面便于测量的地方找起点(3)从开始点起,每五个点标一个计数点,相邻计数点间隔0.1s拉线或纸带不与木板平行调节拉线或纸带使之与木板平行偶然误差平衡摩擦力不准确在平衡摩擦力时,除不挂小盘外,其他的都跟正式实验一样(如要挂好纸带,先接通打点计时器后放纸带等)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,而实际上小车所受拉力要小于小盘和砝码的总重力让小盘和砝码的总质量远小于小车的总质量七、注意事项1.在本实验中,必须平衡摩擦力,在平衡摩擦力时,不能把小盘系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,但必须让小车拖着打点的纸带运动.2.安装器材时,要调整滑轮的高度,使拴小车的细绳与斜面平行,且连接小车和小盘应在平衡摩擦力之后.3.改变小车的质量或拉力的大小时,改变量应尽可能大一些,但应满足小盘和盘内砝码的总质量m远小于小车和车上砝码的总质量M.4.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.5.作图时,两坐标轴标度比例要适当,要使尽可能多的点落在所作直线上,不在直线上的点尽可能对称分布在所作直线两侧.类型一对实验原理及步骤的考查【例1】(2012年安徽理综改编)图(甲)为“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置示意图.沙和沙桶的总质量为m,小车和砝码的总质量为M.实验中用沙和沙桶总重力的大小作为细线对小车拉力的大小.要点例析典例精析·把握规律(1)实验中,为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力,先调节长木板一端滑轮的高度,使细线与长木板平行.接下来还需要进行的一项操作是()A.将长木板水平放置,让小车连着已经穿过打点计时器的纸带,给打点计时器通电.调节m的大小,使小车在沙和沙桶的牵引下运动.从打出的纸带判断小车是否做匀速运动B.将长木板的一端垫起适当的高度.让小车连着已经穿过打点计时器的纸带,撤去沙和沙桶,给打点计时器通电,轻推小车,从打出的纸带判断小车是否做匀速运动C.将长木板的一端垫起适当的高度,撤去纸带以及沙和沙桶,轻推小车,观察判断小车是否做匀速运动(2)实验中要进行质量m和M的选取,以下最合理的一组是()A.M=200g,m=10g、15g、20g、25g、30g、40gB.M=200g,m=20g、40g、60g、80g、100g、120gC.M=400g,m=10g、15g、20g、25g、30g、40gD.M=400g,m=20g、40g、60g、80g、100g、120g(3)图(乙)是实验中得到的一条纸带,A、B、C、D、E、F、G为7个相邻的计数点,相邻的两个计数点之间还有四个点未画出.量出相邻的计数点之间的距离分别为:sAB=4.22cm、sBC=4.65cm、sCD=5.08cm、sDE=5.49cm、sEF=5.91cm、sFG=6.34cm.已知打点计时器的工作频率为50Hz,则小车的加速度a=m/s2.(结果保留两位有效数字)解析:(1)据题意需进行的操作是平衡摩擦力.平衡方法为:将长木板无滑轮一侧垫起适当的高度,不挂沙桶,开启打点计时器,轻推小车,根据车后纸带打点情况判断小车是否做匀速运动.选项B符合要求.(2)因用沙和沙桶的总重力大小作为细线对小车的拉力,满足条件为mM,根据所给数据特点,C选项最适合.(3)据逐差法sDG-sAD=a(3T)2,其中T=0.1s,将各段数据代入后解得a≈0.42m/s2.答案:(1)B(2)C(3)0.42链接考势对实验原理、步骤、器材的考查一直是实验命题的重点,2011年浙江理综、2012年安徽理综、2012年广东理综等都考查了这些方面.类型二实验数据处理与误差分析【例2】在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,打出的纸带如图所示,相邻计数点间的时间间隔是t.(1)测出纸带各相邻计数点之间的距离分别为x1、x2、x3、x4,如图(甲)所示,为使由实验数据计算的结果更精确一些,计算加速度平均值的公式应为a=.(2)在该实验中,为探究小车质量M不变时,a与M成正比,小车质量M、沙及沙桶的质量m分别选取下列四组值:A.M=500g,m分别为50g、70g、100g、125gB.M=500g,m分别为20g、30g、40g、50gC.M=200g,m分别为50g、70g、100g、125gD.M=200g,m分别为30g、40g、50g、60g若其他操作都正确,那么在选用组值测量时所画出的aF图象较准确.(3)有位同学通过测量,作出aF图象,如图(乙)所示.试分析:①图象不通过原点的原因是.②图象上部弯曲的原因是.解析:(1)本实验中其实验数据的处理应该用逐差法,根据公式a=221434txxxx求解加速度.(2)在探究小车质量M不变a与M的关系时,应满足沙和沙桶的质量m远小于小车的质量M这个条件,绳对小车的拉力才近似等于沙和桶的重力,故应选B组.(3)分析实验误差出现的原因:①图象不通过原点,表示小车有拉力作用时加速度还等于零,表明对小车没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不够;②图象上部向下弯曲,表示小车质量越小与“标准”加速度差异越大,表明未满足沙和沙桶的质量m远小于小车的质量M.答案:(1)221434txxxx(2)B(3)没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不够未满足沙和沙桶的质量m远小于小车的质量M类型三实验创新设计【例3】如图所示的实验装置可以探究加速度与力、质量的关系,小车上固定一个盒子,盒子内盛有沙子.沙桶的总质量(包括桶以及桶内沙子质量)记为m,小车的总质量(包括车、盒子及盒内沙子质量)记为M.(1)在质量不变的情况下,探究加速度与合力是否成正比.从盒子中取出一些沙子,装入沙桶中,称量并记录沙桶的总重力mg,将该力视为合力F,对应的加速度a则从打下的纸带中计算得出.多次改变合力F的大小,每次都会得到一个相应的加速度.本次实验中,桶内的沙子取自小车中,故系统的总质量不变.以合力F为横轴,以加速度a为纵轴,画出aF图象,图象是一条过原点的直线.①aF图象斜率的物理意义是.②你认为把沙桶的总重力mg当做合力F是否合理?答:.(选填“合理”或“不合理”)③本次实验中,是否应该满足M≫m这样的条件?答:(选填“是”或“否”);理由是.(2)验证在合力不变的情况下,探究加速度与质量是否成反比.保持桶内沙子质量m不变,在盒子内添加或去掉一些沙子,验证加速度与质量的关系.本次实验中,桶内的沙子总质量不变,故系统所受的合力不变.用图象法处理数据时,以加速度a为纵轴,应该以的倒数为横轴.思路点拨:将研究对象小车转移为小车与沙桶组成的系统进行研究.解析:(1)将车内的沙子转移到桶中,就保证了M+m不变,即系统的总质量不变,研究对象是整个系统,a=mMF=mMmg,可见aF图象斜率的物理意义是mM1,系统的合力就等于所悬挂沙桶的重力mg,不必满足Mm这样的条件.(2)向小车内添加或去掉部分沙子,是改变系统的总质量M+m,而系统的合力仍等于所悬挂沙桶的重力mg,保证了合力不变.答案:(1)①mM1②合理③否因为实验的研究对象是整个系统,系统受到的合力就等于mg(2)M+m点击进入课后训练