第三章 实验四 探究加速度与力、质量的关系-(教参 练习）2023高考物理一轮复习【高考前沿】

实验四　探究加速度与力、质量的关系 一、实验目的 1．学会用控制变量法研究物理规律． 2．探究加速度与力、质量的关系． 3．掌握利用图像处理数据的方法． 二、实验原理 1．实验原理图 2．实验思路 采取控制变量法，即先控制一个参量——小车的质量M不变，探究加速度a与力F的关系；再控制小盘和砝码的质量不变，即力不变，探究加速度a与小车质量M的关系． 三、实验器材 小车、砝码、小盘、细绳、附有定滑轮的长木板、薄木块、打点计时器、低压交流电源、导线、纸带、复写纸、托盘天平、米尺． 四、实验步骤 1．称量质量 用天平测小盘的质量m0和小车的质量M0． 2．安装器材 按照实验原理图所示装置把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在小车上． 3．平衡摩擦力 在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，反复移动薄木块的位置，直至小车在不挂小盘和砝码的情况下能沿木板做匀速直线运动为止． 4．测量加速度 (1)保持小车的质量不变：把小车靠近打点计时器，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．计算小盘和砝码所受的重力，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．改变小盘内砝码的个数，并多做几次实验． (2)保持小盘内的砝码个数不变：在小车上放上砝码改变小车的质量，让小车在木板上运动打出纸带．计算车上砝码和小车的总质量M，并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．改变小车上砝码的个数，并多做几次实验． 表(一) 实验次数 加速度a/(m·s－2) 小车受力F/N 1 2 3 4 表(二) 实验 次数 加速度a/(m·s－2) 小车和车上砝码的总质量M/kg 小车和车上砝码的总质量的倒数/kg－1 1 2 3 4 五、数据处理 1．计算加速度 在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据逐差法计算各条纸带对应的加速度． 2．图像法处理实验数据 作图像找关系：根据记录的各组对应的加速度a与小车所受的合力F，建立直角坐标系，描点画a­F图像，如果图像是一条过坐标原点的倾斜直线，便证明加速度与合力成正比．再根据记录的各组对应的加速度a与小车和砝码总质量M，建立直角坐标系，描点画a­图像，如果图像是一条过坐标原点的倾斜直线，就证明了加速度与质量成反比． 六、误差分析 1．因实验原理不完善引起的系统误差 以小车、小盘和砝码整体为研究对象得mg＝(M＋m)a，以小车和车上砝码为研究对象得F＝Ma，求得 F＝·mg＝·mg<mg． 本实验用小盘和砝码所受的总重力mg代替对小车和车上的砝码的拉力，而实际上小车和车上砝码所受的拉力要小于小盘和砝码所受的总重力．小盘和砝码的总质量越小于小车和车上砝码的质量，由此引起的误差就越小．因此，满足小盘和砝码的总质量远小于小车和车上砝码的质量，就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差． 2．摩擦力平衡不准确造成的误差 在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其他的均与实验规范操作一致(比如要挂好纸带，接通打点计时器等)，小车匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各相邻两点间的距离相等． 3．其他因素引起的误差 质量的测量、打点计时器打点时间间隔不等、纸带上各点距离的测量、细绳或纸带不与木板平行等都会引起误差． 七、注意事项 1．平衡摩擦力 在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细绳系在小车上，即不要给小车加任何牵引力，并要让小车拖着纸带匀速运动．平衡了摩擦力后，不论实验中是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力． 2．实验条件 每条纸带都必须在满足小车和车上砝码的质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出．只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为等于小车和车上砝码受到的拉力． 3．一先一后一按住 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，后放开小车，且在小车到达定滑轮前按住小车． 4．作图 作图时，两坐标轴的比例要适当，要使尽可能多的点落在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称地分布在所作直线两侧． [例1]　 图甲为验证牛顿第二定律的实验装置示意图．图中打点计时器的电源为50 Hz的交流电源，打点的时间间隔用Δt表示．在小车质量未知的情况下，某同学设计了一种方法用来探究“在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量间的关系”． (1)完成下列实验步骤中的填空： ①平衡小车所受的阻力：不挂小吊盘，调整木板右端的高度，用手轻推一下小车，直到打点计时器打出一系列________的点． ②按住小车，在小吊盘中放入适当质量的物块，在小车中放入砝码． ③接通打点计时器电源，释放小