内容正文:
4.2 实验:探究加速度与力、质量的关系
一、加速度与力、质量
1.速度是描述物体运动状态的物理量,加速度是描述速度变化快慢的物理量。因此,加速度是描述物体运动状态变化快慢的物理量。
2.物体运动状态是否改变是由它所受的力决定的,而运动状态改变的难易程度与其自身的质量有关。
3.物体的质量一定时,受力越大,加速度越大;物体受力一定时,质量越小,加速度越大。
二、探究加速度与力、质量的关系实验
1.如图所示装置探究实验:
2.加速度与力的关系:保持小车质量不变,通过改变槽码的个数改变小车所受的拉力。小车所受的拉力可认为与槽码所受的重力相等。测得不同拉力下小车运动的加速度,分析加速度与拉力的变化情况,找出二者之间的定量关系。
3.加速度与质量的关系:保持小车所受的拉力不变,通过在小车上增加重物改变小车的质量。测得不同质量的小车在这个拉力下运动的加速度,分析加速度与质量的变化情况,找出二者之间的定量关系。
4.物理量的测量
(1)质量的测量:可以用天平测量质量。
(2)加速度的测量:
方法1:小车做初速度为0的匀加速直线运动,则测量小车加速度最直接的办法就是用刻度尺测量小车移动的位移x,并用秒表测量发生这段位移所用的时间t,然后由 计算出加速度a。
方法2将打点计时器的纸带连在小车上,根据纸带上打出的点来测量加速度。
方法3在这个实验中也可以不测量加速度的具体数值。这是因为我们探究的是加速度与其他物理量之间的比例关系,因此测量不同情况下物体加速度的比值即可。如果能做到让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等,那么由(1)式可知,它们的位移之比就等于加速度之比,即 这样,测量加速度就转换成测量位移了。
(3)力的测量:现实中,仅受一个力作用的物体几乎不存在。然而,一个单独的力的作用效果与跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的。因此,实验中作用力F的含义可以是物体所受的合力。如何为运动的物体提供一个恒定的合力,如何测出这个合力是本实验的关键,有很多可行的方法。用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系:
把木板的一侧垫高(目的是平衡摩擦力),以补偿打点计时器对小车的阻力及其他阻力。调节木板的倾斜度,使小车在不受牵引时能拖动纸带沿木板匀速运动。
5.进行实验(控制变量法):
(1)当物体质量m一定时,a-F的关系:
测出,则,当m一定,a与F成正比。
(2)当外力F一定时,a-m的关系:
测出,则,当F一定,a与m成反比。
6.用打点计时器测量加速度(图像法):
(1)当物体质量m一定时,a-F的关系:
(2)当外力F一定时,a-m的关系:
7.图像误差分析:
(1)图线①的上部发生了弯曲,是因为当小车所受拉力F较大时,不满足“重物的质量远小于小车的总质量”的条件。
(2)图线2与a轴有交点,说明拉力F=0(不挂重物)时,小车就具有了加速度,这是由于平衡摩擦力时,长木板的倾角过大,导致平衡摩擦力过度造成的。
(3)图线③与F轴有交点,说明只有当F增大到某一定值时,小车才获得加速度,这是由于没有平衡摩擦力或长木板的倾角过小,导致平衡摩擦力不足造成的。
【典型例题】
题型一、对实验目的、原理与器材的考察
1.[多选]如图是通过位移测量来代替加速度测量的方案,即= ,这种替代成立的操作要求是( )
A.实验前必须先平衡摩擦力
B.必须保证两小车的运动时间相等
C.两小车都必须从静止开始做匀加速直线运动
D.小车所受绳的水平拉力大小可以认为是槽码的重力大小
2.某小组利用如图甲所示的装置探究加速度与力的关系。实验中他们平衡了小车和木板间的摩擦力,还用天平测出小车的总质量,同时用所挂槽码的总重力代替小车所受的牵引力F。
(1)挂槽码前,为了消除摩擦力的影响,应调节木板右侧的高度,直至向左轻推小车观察到纸带上 。
(2)他们还在实验时调节木板上定滑轮的高度,使牵引小车的细线与木板平行。这样做的目的是 。
A.避免小车在运动过程中发生抖动
B.使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰
C.保证小车最终能够做匀速直线运动
D.使细线拉力等于小车受到的合力
(3)如下表记录了小车质量一定时,牵引力大小F与对应的加速度a的几组数据,请在图乙的坐标中描点作出a-F图线。
(4)实验中画出的a-F图线与理论计算的图线(图中已画出)有明显偏差,其原因主要是
。
题型二、实验步骤和实验数据的处理
1.某实验小组欲以如图甲所示实验装置“探究加速度与力的关系”。图中A为小车,B为装有砝码的小盘,C为一端带有定滑轮的长木板,小车通过纸带与打点计时器(未画出)相连,小车A的质量为m1,小盘(及砝码)B的质量为m2