第4章 第2节 实验：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（人教版2019）

第2节　实验：探究加速度与力、质量的关系 (实验课—基于经典科学探究) 一、实验装置 二、实验方法——控制变量法 (1)保持研究对象即小车的质量不变，通过改变悬挂槽码的个数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)保持悬挂槽码的个数不变，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。 一、物理量的测量思路　 1．质量的测量：用天平测量。在小车中增减砝码的数量可改变小车的质量。 2．加速度的测量 方法一：让小车做初速度为0的匀加速直线运动，用刻度尺测量小车移动的位移x，用秒表测量发生这段位移所用的时间t，然后由a＝计算出加速度a。 方法二：由纸带根据公式Δx＝aT2结合逐差法计算出小车的加速度。 方法三：不直接测量加速度，求加速度之比。例如：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，测出各自的位移x1、x2，则＝，把加速度的测量转换成位移的测量。 3．力的测量 在阻力得到补偿的情况下，小车受到的拉力等于小车所受的合力。 (1)在槽码的质量比小车的质量小得多时，可认为小车所受的拉力近似等于槽码所受的重力。 (2)使用力传感器可以直接测量拉力的大小，不需要使槽码的质量远小于小车的质量。 二、实验步骤　 1．用天平测出小车的质量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．补偿阻力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫上垫木，反复移动垫木位置，启动打点计时器，直到轻推小车使小车在木板上运动时可保持匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等)，此时小车重力沿木板方向的分力等于小车和纸带受到打点计时器的阻力和长木板的摩擦阻力及其他阻力之和。 4．把细线绕过定滑轮系在小车上，另一端挂上槽码。保持小车质量不变，改变槽码的个数，以改变小车所受的拉力。处理纸带数据，测出加速度，将结果填入表1中。 表1　小车质量一定 拉力F/N 加速度a/(m·s－2) 5．保持槽码个数不变，即保持小车所受的拉力不变，在小车上增减砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，把数据记录在表2中。 表2　小车所受的拉力一定 质量m/kg 加速度a/(m·s－2) 三、数据分析　 1.分析加速度a与拉力F的定量关系 由表1中记录的数据，以加速度a为纵坐标，以拉力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a-F图像，如图所示，若图像是一条过原点的倾斜直线，就能说明a与F成正比。 2．分析加速度a与质量m的定量关系 由表2中记录的数据，以a为纵坐标，以为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a-图像，如图所示。若a-图像是一条过原点的倾斜直线，说明a与成正比，即a与m成反比。 3．实验结论 (1)保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受拉力F成正比。 (2)保持拉力F不变时，物体的加速度a与质量m成反比。 四、注意事项　 1．打点前小车应靠近打点计时器且应先启动打点计时器后放开小车。 2．在补偿阻力时，不要悬挂槽码，但小车应连着纸带且启动打点计时器。用手轻轻地给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点的间隔均匀，表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿木板向下的分力平衡。 3．作图时应使所作的直线通过尽可能多的点，不在直线上的点也要尽可能地均匀分布在直线的两侧，个别偏离较远的点应舍去。 [关键点反思] 1．如何处理数据能更直观地判断加速度与力、质量的关系？ 提示：建立直角坐标系﹐根据各组实验数据在坐标纸上描点的连线来判断。 2．小车下滑过程受哪些力的作用，其合力等于槽码的重力吗？ 提示：小车下滑过程中受到重力、绳的拉力、木板的支持力及摩擦力作用。 在完全平衡摩擦力的前提下小车受到的合力就等于绳的拉力。绳的拉力实际上小于槽码的重力，只有满足槽码的质量远小于小车的质量时，才可认为绳的拉力近似等于槽码的重力。 3．在探究加速度与力、质量的关系的实验中平衡了摩擦力后，改变槽码的质量，或者改变小车的质量，是否还需要重新平衡摩擦力？ 提示：平衡摩擦力是指小车所受的重力沿斜面向下的分力与小车受到的摩擦阻力大小相等，即mgsin θ＝μmgcos θ，等式两边mg可消去，所以平衡摩擦力后，不管是改变槽码的质量还是改变小车的质量，都不需要重新平衡摩擦力。 考法(一)　实验基本操作 [例1]　在研究作用力F一定时，小车的加速度a与小车(含砝码)质量M的关系的实验中，某同学安装的实验装置和设计的实验步骤如下： A．用天平称出小车和槽码的质量 B．按图安装好实验器材 C．把细绳一端系在小车上，另一端绕过定滑轮悬挂槽码 D．将电磁打点计时器接在8 V电压的蓄电池上，接通电源，释放小车，打点计时器在