第4章 第2节 探究加速度与力、质量的关系（Word教参）-【新课程学案】新教材2023-2024学年高中物理必修第一册（教科版2019）

第2节　探究加速度与力、质量的关系 一、本版教材实验理清楚 实验目的 1．学会用“控制变量法”探究加速度与力、质量的定量关系。 2．学会用图像法研究加速度与质量、加速度与力之间的关系。 3．学会将a-M图像采用“化曲为直”法转化为a-图像的思想方法。 实验原理 1．实验方法(控制变量法) (1)保持研究对象即小车的质量不变，通过改变悬挂托盘和砝码的质量改变小车所受的拉力，测出小车的对应加速度，验证加速度是否与作用力成正比。 (2)保持托盘和砝码的质量不变，即保持作用力不变，改变研究对象即小车的质量，测出小车的对应加速度，验证加速度是否与质量成反比。 2．方案设计 (1)三个物理量的测量 ①小车质量的测量：利用天平测出，在小车上增减砝码可改变小车的质量。 ②拉力的测量： 实验装置如图所示，利用在托盘中放入砝码的方法为小车提供拉力。把木板的一端垫高，以补偿小车运动时受到的阻力。当托盘和砝码的质量远小于小车质量的情况下，测出托盘和砝码的总重力，它近似等于小车运动时所受的拉力。 ③加速度的测量： 方法一：对于初速度为零的匀加速直线运动，可以测量出位移x和时间t，然后由a＝算出加速度。 方法二：利用打点计时器打出纸带，由Δx＝aT2来计算加速度。 方法三：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)实验数据的处理——图像法、“化曲为直”法 ①研究加速度a和力F的关系 以加速度a为纵坐标，力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出图像，如图甲所示。若图像是一条通过坐标原点倾斜的直线，则说明a与F成正比。 ②研究加速度a与质量M的关系 如图乙所示，因为a-M图像是曲线，检查a-M图像是否是双曲线，就能判断它们之间是否存在反比例关系，但检查这条曲线是否是双曲线，直接判断有困难。若a和M成反比，则a与必成正比。我们采取“化曲为直”的方法，以a为纵坐标，以为横坐标，作出a-图像，若a- 图像是一条过坐标原点倾斜的直线，如图丙所示，说明a与成正比，即a与M成反比。 实验器材 小车、砝码、托盘、细线、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、交流电源、纸带、刻度尺、天平。 实验步骤与数据处理 1．用天平测出小车的质量M和托盘的质量m。并把数值记录下来。 2．按如图所示的装置把实验器材安装好(小车上先不系细线)。 3．平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块，反复移动木块位置，直到使小车在不受牵引时能拖动纸带沿木板保持匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等)。 4．在细线末端的托盘中放入砝码，用细线绕过定滑轮系在小车上，在小车上加放适量的砝码，细线末端托盘和托盘内砝码的总质量m，记录下来。接通电源，放开小车，待打点计时器在纸带上打好点后取下纸带，并设计表格如下。 次数 1 2 3 4 5 6 小车加速度a/(m·s－2) 托盘和托盘内 砝码的总质量m/kg 拉力F/N 5.保持小车和所放砝码的质量不变，增加托盘内砝码的质量，按步骤4做6次实验。 6．在每条纸带上选取一段比较理想的部分，算出每条纸带对应的加速度的值，填入表格中。 7．用纵坐标表示加速度，横坐标表示作用力，根据实验结果画出小车运动的a-F图像，从而得出a、F之间的关系。 8．保持托盘和托盘内砝码的质量不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，并设计表格如下。根据实验结果画出小车运动的a-图像，从而得出a、M之间的关系。 次数 1 2 3 4 5 6 小车加速度a/(m·s－2) 小车质量M/kg /kg－1 9.整理实验器材，结束实验。 误差分析 1．系统误差 本实验用托盘和托盘内砝码的重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于mg。托盘和托盘内砝码的质量越大，误差越大；反之，托盘和托盘内砝码的质量越小，由此引起的误差就越小。因此，满足托盘和托盘内砝码的质量远小于小车的质量的目的就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差。 2．偶然误差 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、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。 注意事项 1．打点前小车应靠近打点计时器，且应先接通电源后释放小车。 2．在平衡摩擦力时，不需要悬挂托盘和砝码，但小车应连接纸带且接通电源。用手轻轻地给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点迹间隔均匀，表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡。 3．改变托盘内砝码质量的过程中，要始终保证托盘和托盘内砝码的总质量远小于小