第4.2课时 探究加速度与力、质量的关系-2020-2021学年高一物理知识点专题解析与题型练习（人教版必修1）

第4.2课时 探究加速度与力、质量的关系 一、实验目的 1.探究加速度与力、质量的关系． 2.掌握运用图像处理问题的方法． 二、实验原理 用控制变量法探究加速度a与力F、质量M的关系，可以先保持F不变，研究a和M的关系，再保持M不变，研究a和F的关系． 三、实验器材 带定滑轮的长木板、低压交流电源、复写纸片和纸带、小车、小盘、电磁打点计时器、天平、砝码、刻度尺、导线． 四、实验步骤 1.用天平测出小车的质量M，小盘和砝码的总质量m. 2.按图把实验器材安装好，先不要把悬挂小盘的细绳系在车上． 3.在木板的一端下面垫一木块，移动木块的位置，直至小车拖着纸带在斜面上做匀速运动． 4.小盘绕过滑轮系于小车上，先通电源后放开小车，打完点后切断电源，取下纸带． 5.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4三次． 6.在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a. 7.作a­F的图像，若图像为一过原点的直线，证明加速度与力成正比． 8.保持砝码和小盘的质量m不变，改变小车质量M，重复步骤4和6，作a­eq \f(1,M)图像，若图像为一过原点的直线，证明加速度与质量成反比． 五、注意事项 1．牵引小车的砝码应有10g、20g、50g等规格。没有小规格砝码，可用沙桶装沙替代，质量用天平称量。 2．探究加速度与力的关系：小车质量为200g，两车上面均可加100g左右的砝码。保持其中一个小车所挂砝码不变（如20g），另一小车所挂砝码逐渐加大，但不要过大。砝码质量过大，会使图象线性变差。 3．探究加速度与质量的关系：一车质量固定为300g，另一车质量可自200g起，逐次增加砝码至 。牵引小车的砝码以 为宜。小车质量过大，夹子不容易夹住车后拖线，造成位移误差。 4．小车后所系线绳要用适当粗些的棉绳，当夹子夹住线绳时不会滑动。如果用表面较光滑的尼龙绳，当夹子闭合时线绳还会被小车拖一段距离才会停住。解决的办法可在尼龙绳上擦一些松香，以增大线绳与夹子之间的摩擦力。 5．选择口宽、弹力大的夹子，使夹子张开和闭合动作要迅捷有力。动作缓慢，会使某些夹子张开夹口时两侧张开的程度不一样，张开较小的一侧所控制的小车拖绳受阻，影响到小车运动。 6．注意小车运动停止的位置不能与定滑轮相碰。实验中如果小车碰到定滑轮才松手让夹子夹住拖线，则与定滑轮相碰的小车位移偏小而产生误差。 六、实验误差分析 因实验原理不完善引起的误差． 本实验用砂和砂桶的总重力 代替小车的拉力，而实际小车所受的拉力要小于砂和砂桶的总重力．砂和砂桶的总质量越接近小车和砝码的总质量，误差越大；反之，砂和砂桶的总质量越小于小车和砝码的总质量，由此引起的误差就越小．因此，满足砂和砂桶的总质量m远小于小车和砝码的总质量M的目的就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差．此误差可因 而减小，但不可能消除此误差．证明如下： 小车和砂桶的受力情况如图所示． 对小车： ， ① 对砂桶： ， ② 解得： ． 可见当时 时， ． 【说明】上面的证明在这里讲的目的，旨在使同学们懂得为什么实验中要 ，不要求同学们会处理这类问题．这个问题在学完本章后来体会就更好． 2.平衡摩擦不准造成误差． 实验原理中设定为光滑水平面情形，所以实验中应平衡摩擦力，若未平衡摩擦力或平衡不当就会带来系统误差． ①如出现图(甲)中①的直线，说明平衡摩擦力时，平衡过大了．即拉力F＝0时，已产生加速度，其加速度是由多余重力的分力形成的． 出现图(甲)中②的直线，说明平衡摩擦力不够，因为拉力大于F0时才产生加速度． ②出现图(乙)中①②直线的原因分析如下： 平衡摩擦力后，小车在木板上的受力应有 (*)，其中F为绳拉力，θ为木板与水平面间的夹角． 若未平衡摩擦力，则θ＝0，(*)式为 ，F一定，只有m小到一定程度，即 大到一定程度，才有 ，才能产生加速度．由图(乙)知，②线为未平衡摩擦造成的误差． 若平衡摩擦过大，小车在木板上的受力应有 ，当 ，即 时，式中F作为小量，可略去，将(*)式整理得 ，说明①线为平衡摩擦力过大造成的误差． 【说明】平衡摩擦力时不要挂重物，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和砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力． 3.实验操作造成的误差 质量测量不准确、计数点间的间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差． 考点一　实验原理与操作 　本实验的难点是测量小车的合力，实验通过两个“转换”，使小车合力的测量转化为对悬挂物重力的测量． 1．平衡摩擦力——使小车所受的合力“转换”为拉力 小车受力为重力、拉力、阻力、支持力，平衡摩擦力后，使重力、阻力和支持力的