4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系-【新教材精创】2020-2021学年高一物理知识讲学卓越讲义（新教材人教版必修第一册）

2020-2021学年高一物理卓越同步讲义（新教材人教A版必修第一册） 第四章 运动和力的关系 4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系 一．知识点归纳 知识点一　加速度与力的关系 保持物体的质量不变，物体所受的外力越大，物体的加速度越大；物体的加速度与物体所受的外力成正比． 作出加速度a与物体所受的外力F的关系图像，以加速度a为纵轴，外力F为横轴，a－F图像应为一条过原点的倾斜直线．如图所示． 知识点二　加速度与质量的关系 保持物体所受的外力不变，物体的质量越大，加速度越小；物体的加速度与物体的质量成反比．作出加速度a与物体质量的倒数的关系图像，以加速度a为纵轴，质量的倒数为横轴，a－图像应为一条过原点的倾斜直线．如图所示． 知识点三 实验思路 采用控制变量法：在该实验中有三个变量，为了研究问题方便，可先控制一个量不变，观察另外两个量的变化情况，从而确定三者的关系． (1)加速度与力的关系 ①实验基本思路：控制物体的质量m不变，测量物体在不同的力F作用下的加速度a，分析a与F的关系． ②实验数据的分析：设计表格，记录数据． 在如下图所示的坐标系内，作出a－F图像． 分析：若图像是过原点的直线，则a∝F；若图像不是直线，再作其他分析． (2)加速度与质量的关系 ①实验基本思路：控制物体所受的力F不变，测量不同质量的物体在该力作用下的加速度a，分析a与质量m的关系． ②实验数据的分析：设计表格，记录数据. 猜想：F相同，m越大，a越小，是否有“a与m成反比”或“a与m2成反比”？ 从最简单的情况入手，若a与m成反比，则a与成正比．所以，建立如下图所示的坐标系，作出a－图像． 分析：若a－图像是过原点的直线，则a与m成反比． 知识点四 物理量的测量、进行实验 1．本实验有三个需要测量的物理量：a、F、m.质量可用天平测量，a与F如何测量呢？ (1)如何测量(或比较)小车的加速度 ①利用打点计时器打出纸带，由Δx＝aT2来计算加速度． ②由a＝可知，如果测出两个初速度为零的匀加速直线运动在相同时间内发生的位移x1、x2，则位移之比就等于加速度之比，即＝. (2)怎样提供并测量小车所受的力 实验中力F的含义可认为是小车受到的合力．实验装置如下图所示．小车在槽码重力的作用下做匀加速运动．由于槽码也有加速度，因此牵引小车做匀加速运动的力并不等于槽码的重力．如果实验中要把槽码的重力作为牵引小车做匀加速运动的外力，就必须注意控制实验条件，把握好以下两点． ①平衡摩擦阻力：即通过垫高木板，让小车在不挂槽码时受到的阻力跟小车的重力沿斜面方向的分力平衡． ②让槽码的质量远小于小车的质量． 2．进行实验 (1)用天平分别测出槽码的质量，并记录数值． (2)按上图将实验器材安装好(小车上不系绳)． (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，使小车在不挂槽码的情况下，能沿木板做匀速直线运动(打点计时器打出的纸带上相邻点之间的距离相等)． (4)把小车停在靠近打点计时器处，挂上槽码，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．计算槽码所受的重力，即小车所受的合外力，由纸带计算出小车的加速度，并把槽码的重力和对应的加速度记录在表格中． (5)改变槽码的个数，重复步骤(4)，并多做几次． (6)保持槽码个数不变，在小车上放上重物改变小车的质量，让小车在木板上运动打出纸带．计算重物和小车的总质量，并由纸带计算出小车对应的加速度． (7)改变小车上重物的个数，重复步骤(6)，并多做几次，所对应的质量和加速度也需记录在表格中． (8)用纵坐标表示加速度，横坐标表示力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点．若这些点在一条直线上，便证明了加速度与力成正比，如图甲所示． (9)用纵坐标表示加速度，横坐标表示小车和车上重物总质量的倒数，在坐标平面上根据实验数据画出相应的点，如果这些点在一条直线上，就表明加速度与质量成反比．如图乙所示． 知识点五 误差分析、注意事项 1．注意事项 (1)注意平衡摩擦力．即通过垫高调整好一个合适的斜面，使小车的重力沿斜面方向的分力恰好与小车受到的摩擦力平衡．在平衡摩擦力时，不要把悬挂槽码的细绳系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着打点的纸带运动． 如果没有平衡摩擦力或摩擦力没有平衡好，实验中作出的a－F或a－图像不过原点． 如出现下图所示图线①，说明平衡摩擦力时，平衡过度了．即拉力F＝0时，已产生加速度，其加速度是由“重力的分力”形成的． 如出现图中图线②，说明平衡摩擦力不够或根本没有平衡摩擦力，因为拉力为F0时才产生加速度． (2)整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变槽码的质量还是改变小车和重物的质量，都不需要重新平衡摩擦力． (3)每条纸带必须满足在小车与车上所加重物的