4.2实验：探究加速度与力、质量的关系（考点解读）-2023-2024学年高中物理同步考点解读与专题训练（人教版2019必修第一册）

4.2实验：探究加速度与力、质量的关系（考点解读）（原卷版） 【实验目的】 1、学会用控制变量法研究物理规律。 2、验证牛顿第二定律。 3、掌握利用图象处理数据的方法。 【实验原理】 探究加速度a与力F及质量m的关系时，应用的基本方法是控制变量法，即先控制一个参量--小车的质量m不变，讨论加速度a与力F的关系，再控制小盘和砝码的质量不变，即力F不变，改变小车质量m，讨论加速度a与m的关系。 【实验器材】 打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平、刻度尺、砝码。 【实验步骤】 （一）测质量 1、用天平测出小车和砝码的总质量M，小盘和砝码的总质量m，把测量结果记录下来。 （二）仪器安装及平衡摩擦力 2、按下图把实验器材安装好，只是不把悬挂小盘的细绳系在车上，即不给小车施加牵引力。 3、平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木板．反复移动木板的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态；这时，小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡。 （三）保持小车的质量不变 4、把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，先接通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，打完点后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸带号码。 5、保持小车和砝码的质量不变，在小盘里放入适量的砝码，把小盘和砝码的总质量m′记录下来，重复步骤4；在小盘内再放入适量砝码，记录下小盘和砝码的总质量m″，再重复步骤4。 6、重复步骤5三次，得到三条纸带。 7、在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量各个计数点到O计数点间的距离，算出与每条纸带对应的小车加速度的值。 8、用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F，作用力的大小F等于小盘和砝码的总重力，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点，如果这些点是在一条过原点的直线上，便证明了加速度与作用力成正比。 （四）保持小盘和砝码的质量不变 9、保持小盘和砝码的质量不变，在小车上加砝码，重复上面的实验，用纵坐标表示加速度a，横坐标表示小车和砝码总质量的倒数，根据实验结果在坐标平面上画出相应的点；如果这些点是在一条过原点的直线上，就证明了加速度与质量成反比。 【注意事项】 1、平衡摩擦力：就是调出一个合适的斜面，使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力；在平衡摩擦力时，不要把悬挂小盘的细线系在小车上，即不要给小车施加任何牵引力，并要让小车拖着打点的纸带运动；整个实验平衡了摩擦力后，不管以后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：每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总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小车受到的拉力。 3、操作顺序：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，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。 【误差分析】 1、质量的测量误差，纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差，拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差。 2、因实验原理不完善造成误差： 本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力（实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力），存在系统误差；小盘和砝码的总质量越接近小车的质量，误差就越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，误差就越小。 3、平衡摩擦力不准造成误差： 在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其他的都跟正式实验一样（比如要挂好纸带、接通打点计时器），匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点的距离相等。 【典例1】（2022秋•河西区校级期末）在“探究物体的加速度与物体所受外力、物体质量间的关系”的实验中，采用如图所示的实验装置。小车及车中砝码的质量用M表示，盘及盘中砝码的质量用m表示（　　） A．补偿阻力时，应将盘用细绳通过定滑轮系在小车上，且每次改变小车的质量时，都要重新平衡摩擦力 B．甲图上端弯曲的原因是盘及盘中砝码的质量m太大，已经不满足m≪M C．乙图不过原点的原因是补偿阻力过度 D．实验时，若拉力可以用力学传感器直接测量，则也需满足条件m≪M 【典例2】（2022秋•宝山区校级期末）（多选）在“用DIS研究质量一定时，加速度与力的关系”的实验中，选用了位移传感器测量加速度。为了减小误差，下列说法正确的有（　　） A．实验开始前调整滑轮高度，让细绳与轨道平面平行 B．实验开始前要调整轨道倾角，使小车轻推后、在不挂钩码时，能够向上匀速运动 C．在增加钩码的同时要在小车上增加配重片，确保钩码质量始终远小于小车的总质量 D．每次实验时，需要使钩码从静止开始释放 E．每次实验时，需要使小车从同一位置释放 【典例3】（2022秋