4.2.2 实验：探究加速度与力、质量的关系 导学案 -2023-2024学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

实验：探究加速度与力、质量的关系 第四章 运动和力的关系 第二节 实验：探究加速度与力、质量的关系 知识梳理▼ 一、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． 二、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。 (1)保持质量不变，探究加速度跟 的关系． (2)保持合外力不变，探究加速度与 的关系． (3)作出a－F图象和a－图象，确定a与F、m的关系． 三、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． 四、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，利用逐差法或v－t图象法求a. 8．以a为纵坐标，F为横坐标，描点、画线，如果该线为过原点的直线，说明a与F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，以a为纵坐标，为横坐标，描点、画线，如果该线为过原点的直线，就能判定a与m成反比． 五、注意事项 1．平衡摩擦力：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． 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． 六、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． 经典例题▼ 对原理的理解和误差的分析 【例】 1、在“探究加速度与力、质量的关系”的实验步骤中，下列做法中正确的是(　　) A．同时改变拉力F和小车质量m的大小 B．先保持小车质量m不变，研究加速度a与拉力F的关系，再保持F不变，研究a与m的关系，最后导出a与m及F的关系 C．只改变拉力F的大小，小车质量m的大小始终保持不变 D．只改变小车质量m的大小，拉力F的大小始终保持不变 2、a、b、c、d四位同学做《验证牛顿第二定律》的实验，设小车质量和车上砝码质量之和为M，砂及砂桶的总质量为m，分别得出如图a、b、c、d四个图线，其中图a、b、c是a−F图线，图d是a−图线，则以下说法中正确的是(　　) A．a和b较好地把握了实验条件M>>m B．c和d则没有把握好实验条件m>>M C．a同学长木板的倾角太大，而b同学长木板倾角太小 D．a、b、c三同学中，c同学较好地完成了平衡摩擦力的操作(3)速度大小和方向都改变． 3、用打点计时器测量加速度，探究加速度与力、质量的关系时，需要平衡摩擦力．平衡摩擦力时，应该让小车(　　) A．挂上钩码，拖上纸带，开动打点计时器 B．不挂钩码，拖上纸带，开动打点计时器 C．挂上钩码，不拖纸带 D．不挂钩码，不拖纸带 4、在做“测量做直线运动物体的瞬时速度”的实验时，某同学得到一条用打点计时器打下的纸带如图所