4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系-2023-2024学年高一物理必修一同步精品讲义（人教版2019）

( 在这个实验中，我们先人为控制一些因素不变，然后比较、研究剩余两个变量之间的关系。这种研究问题的方法称为控制变量法。控制变量法是一种重要的物理研究方法。 ) ( 4. 2 实验：探究加速度与力、质量的关系 ) ( 考点一 : 知识导航 ) 1、 实验思路——控制变量法 1．探究加速度与力的关系 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，测得不同拉力下小车运动的加速度，分析加速度与拉力的定量关系． 2．探究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，测得不同质量对应的加速度，分析加速度与质量的定量关系． 2、 物理量的测量 1．质量的测量：用天平测量．在小车中增减砝码可改变小车的质量． 2．加速度的测量 (1)方法1：让小车做初速度为0的匀加速直线运动，用刻度尺测量位移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. (2)方法2：由纸带根据公式Δx＝aT2，结合逐差法计算出小车的加速度． (3)方法3：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物体所受的合力，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． 3、 实验器材 小车、砝码、槽码、细绳、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． 4、 进行实验(以参考案例1为例) 1．用天平测出小车的质量m，并把数值记录下来． 2．按如图1所示的装置把实验器材安装好(小车上先不系细绳)． 图1 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斜面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)，此时小车重力沿斜面方向的分力等于打点计时器对小车的阻力和长木板的摩擦阻力及其他阻力之和． 4．用细绳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，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，在小车上加放砝码，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) 5、 数据分析 1．分析加速度a与力F的定量关系 由表1中记录的数据，以加速度a为纵坐标，力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a－F图像，如图2所示，若图像是一条通过原点的直线，就能说明a与F成正比． 图2 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3所示．若a－图像是一条过原点的直线，说明a与成正比，即a与m成反比． 图3 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． 6、 注意事项 1．打点前小车应靠近打点计时器且应先启动计时器后放开小车． 2．在补偿阻力时，不要(选填“要”或“不要”)悬挂槽码，但小车应连着纸带且启动计时器．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斜面向下的分力平衡． 3．改变槽码的质量的过程中，要始终保证槽码的质量远小于小车的质量． 4．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． ( 考点 分类归纳 ) 一、验证加速度与力成正比误差分析 1．实验室用滑轮、小车、打点计时器、砂桶、细线、纸带等实验器材组成如图所示实验装置可以完成多个力学实验．利用该装置进行如下实验时，以下说法正确的是（　　） A．在“探究加速度a与小车质量M关系”时每次改变小车质量之后不需要重新补偿阻力 B．在“探究加速度a与力F关系”时可以直接用测量加速度 C．在“研究匀变速直线运动”时必须补偿阻力 D．在“研究匀变速直线运动”时必须使砂和砂桶总质量远小于小车的质量 2．在“探究加速度与力、质量关系”的实验中，在满足实验条件的前提下某同学做出的的关系图线如图所示。从图像中可以看出，作用在物体上的恒力F= N。当物体的质量为2.5kg时，它的加速度为 m/s2。