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1、实验(3):探究加速度与力、质量的关系一、实验原理图二、基本实验要求1.实验目的(1)通过实验探究物体的加速度与它所受的合力、质量的定量关系。(2)学会用控制变量法研究物理规律。(3)学会灵活运用图象法处理物理问题的方法(化曲为直)。2.实验原理在探究加速度a与合力F及质量m的定量关系时,用到的基本方法是控制变量法,即:(1)保持m一定时,改变物体受力F测出加速度a,用图象法研究a与F的关系;(2)保持F一定时,改变物体质量m测出加速度a,用图象法研究a与m的关系。3.实验器材小车、砝码、小盘、细绳、夹子、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、低压交流电源、复写纸、导线两根、纸带、天平、刻
2、度尺等。4.实验步骤(1)用天平测出小车和盛有砝码的小盘的质量m和m,把数据记录在表格中。(2)按实验装置图把实验器材安装好,使长木板有滑轮的一端伸出桌面。(3)在长木板不带定滑轮的一端下面垫上垫木,通过前后移动,来平衡小车的摩擦力。(4)把细线系在小车上并跨过定滑轮,此时要调节定滑轮的高度使细线与木板平行。(5)将小车放于靠近打点计时器处,在小盘里放入适量的砝码,接通电源,放开小车得到一打好点的纸带(注意不要让小车撞到定滑轮)。(6)保持小车的质量不变,改变砝码的质量,按上面步骤再做多次实验。(7)算出每条纸带加速度的值并记录在表格中。(8)保持小盘内砝码质量不变,在小车上放钩码改变小车的质
3、量,重复上面的实验。把各次实验中的数据填入表内。(9)用纵坐标表示加速度a、横坐标表示合外力F,即砝码和小盘的总重力mg,根据实验数据在坐标纸上描出相应的点,作出a-F图线。(10)用纵坐标表示加速度a、横坐标表示小车质量的倒数,在坐标系中根据实验数据描出相应的点并作图线。5.数据处理(1)求加速度:在每条纸带上都选取一段比较理想的部分,按照“研究匀变速直线运动”实验中求加速度的方法,计算出各条纸带对应的加速度的值。(2)以a为纵坐标、F为横坐标,根据各组数据描点、连线,如果这些点在一条过原点的直线上,说明a与F成正比。如图甲所示。(3)以a为纵坐标、为横坐标,根据各组数据描点、连线,如果这些
4、点在一条过原点的直线上,说明a与m成反比。如图乙所示。6.注意事项(1)平衡摩擦力时不要挂小桶,应连着纸带,且接通电源,判断小车是否做匀速直线运动可以直接观察,也可以用打点计时器打出的纸带判定(各点间距离相等)。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,还是改变小车及钩码的质量,都不需要重新平衡摩擦力。(2)整个实验过程要确保砝码和小桶的总质量远小于小车和砝码的总质量。7.误差分析(1)因实验原理不完善引起误差:本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车受到的拉力,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
5、不严格与木板平行都会引起误差。考点1考点2考点1实验原理和操作典例典例5(1)我们已经知道,物体的加速度a同时跟合外力F和质量m两个因素有关,要研究这三个物理量之间的定量关系的思想方法是。(2)某同学的实验方案如图所示,她想用砂桶的重力表示小车受到的合外力F,为了减小这种做法带来的实验误差,她先做了两方面的调整措施:考点1考点2a.用小木块将长木板无滑轮的一端垫高,目的是。b.使砂桶的质量远小于小车的质量,目的是使拉小车的力近似等于。(3)该同学利用实验中打出的纸带求加速度时,处理方案有两种:两种方案中,你认为选择方案比较合理。考点1考点2解析:(1)要研究三个物理量之间的定量关系的思想方法是
6、控制变量法。(2)用小木块将长木板无滑轮的一端垫高,目的是平衡摩擦力。想用砂桶的重力表示小车受到的合外力F,为了减小这种做法带来的实验误差,应使砂桶的质量远小于小车的质量,目的是使拉小车的力近似等于砂桶的重力。(3)利用实验中打出的纸带求加速度时,需要根据利用逐差法计算,方案B比较合理。答案:(1)控制变量法(2)平衡摩擦力砂桶的重力(3)B考点1考点2考点2数据处理与误差分析典例典例6(1)用电火花计时器记录纸带运动的时间,电火花计时器所用电源的频率为50Hz,如图为小车带动的纸带上记录的一些点,在每相邻两点间都有四个点未画出,从纸带上测出x1=3.20cm,x2=4.74cm,x3=6.4
7、0cm,x4=8.02cm,x5=9.64cm,x6=11.28cm,x7=12.84cm。该小车的加速度a=。(结果保留三位有效数字)考点1考点2(2)在保持小车及车中的砝码质量m1一定,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关系分别如图中的甲、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:。考点1考点2解析:(1)给的纸带有7段,去掉开始的一段,取后6段,由逐差法求得小车加速度。(2)甲图:F=0,a0,说明平衡摩擦力时,长木板的倾角过大了,乙图:没有平衡摩擦力或木板的倾角过小。答案:(1)1.62m/s2(2)平
8、衡摩擦力时,长木板的倾角过大了;没有平衡摩擦力或木板的倾角过小了考点1考点2典例典例7如图甲所示,某同学将力传感器固定在小车上,然后把绳的一端固定在传感器拉钩上,用来测量绳对小车的拉力,探究在小车及传感器总质量不变时加速度跟它们所受拉力的关系,根据所测数据在坐标系中作出了如图乙所示的a-F图象。甲乙(1)本实验中是否仍需要砂和桶的总质量远小于小车和传感器的总质量。(选填“是”或“否”)。(2)由图象求出小车和传感器的总质量为kg。考点1考点2解析:(1)因传感器可直接测出小车和传感器受到的拉力,因此不需要保证砂和桶的质量远小于小车和传感器的总质量。(2)a-F图象斜率为,由图知图象斜率k=1,则小车和传感器的总质量为1kg。答案:(1)否(2)1