4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系-2023-2024学年高一元创物理提前学+强基础（人教版2019必修第一册）

2023-2024学年 高一 元创物理 提前学 + 强基础 必修一第四章：运动和力的关系 2 实验：探究加速度与力、质量的关系 核心目标 1. 经历探究加速度与力、质量的关系实验的设计过程、用图像处理数据的过程、操作和测量的过程。 2. 学会选择实验方案、收集信息获取证据，知道如何平衡摩擦力、减小系统误差，能从图像中发现物理规律。 【阅读+理解】----提前学知识要点 问题 速度是描述物体运动状态的物理量，加速度是描述速度变化快慢的物理量。因此也可以说，加速度是描述物体运动状态变化快慢的物理量。由前面的学习我们知道，力是改变物体运动状态的原因，质量大的物体运动状态不容易改变。这说明，加速度与力、质量之间必然存在一定的关系。下面我们来探究加速度与力、质量之间的定量关系。 本节实验分别从“加速度与力的关系”和“加速度与质量的关系”两方面进行研究。 1. 实验思路 将小车置于水平木板上，通过滑轮与槽码相连。小车可以在槽码的牵引下运动（如图）。 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。小车所受的拉力可认为与槽码所受的重力相等。测得不同拉力下小车运动的加速度，分析加速度与拉力的变化情况，找出二者之间的定量关系。 可证明这两个力只是近似相等，条件是槽码的质量要比小车的质量小很多。 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。测得不同质量的小车在这个拉力下运动的加速度，分析加速度与质量的变化情况，找出二者之间的定量关系。 从实验的角度，同时研究某个物理量与另外两个或多个物理量之间的定量关系是非常困难的。面对这样的问题，我们通常采用控制变量的方法进行研究。 2. 物理量的测量  本实验需要测量的物理量有三个：物体的质量、物体所受的作用力和物体运动的加速度。质量的测量 可以用天平测量质量。为了改变小车的质量，可以在小车中增减砝码的数量。 加速度的测量 方法1 小车做初速度为0 的匀加速直线运动，则测量小车加速度最直接的办法就是用刻度尺测量小车移动的位移x，并用秒表测量发生这段位移所用的时间t，然后由a＝ （1）计算出加速度a。 方法2 将打点计时器的纸带连在小车上，根据纸带上打出的点来测量加速度（参考第一章的实验方法）。 方法3 在这个实验中也可以不测量加速度的具体数值。这是因为我们探究的是加速度与其他物理量之间的比例关系，因此测量不同情况下物体加速度的比值即可。 如果能做到让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等，那么由（1）式可知，它们的位移之比就等于加速度之比，即=（2） 这样，测量加速度就转换成测量位移了。 力的测量 现实中，仅受一个力作用的物体几乎不存在。然而，一个单独的力的作用效果与跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的。因此，实验中作用力F的含义可以是物体所受的合力。 如何为运动的物体提供一个恒定的合力，如何测出这个合力是本实验的关键，有很多可行的方法。下面参考案例中的方法可供选用，也可以设计其他方法。 参考案例 1用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 实验装置如图所示。把木板的一侧垫高，以补偿打点计时器对小车的阻力及其他阻力。调节木板的倾斜度，使小车在不受牵引时能拖动纸带沿木板匀速运动。将槽码、小车、打点计时器、纸带安装好。通过改变槽码的个数可以成倍地改变小车所受的拉力，与此相对应，处理纸带上打出的点来测量加速度。 保持小车受的拉力不变，通过增减小车中的重物改变小车的质量。处理纸带上打出的点来测量加速度。 参考案例 2通过位移之比测量加速度之比 将两辆相同的小车放在水平木板上，前端各系一条细线，线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘中可以放不同的重物。把木板一端垫高，参考案例1的方法补偿阻力的影响。 两小车后端各系一条细线，用一个物体，例如黑板擦，把两条细线同时按压在木板上（如图）。抬起黑板擦，两小车同时开始运动，按下黑板擦，两小车同时停下来。用刻度尺测出两小车移动的位移x1、x2。由于两小车运动时间t相同，从它们的位移之比就可以得出加速度之比。在盘中重物相同的情况下，通过增减小车中的重物改变小车的质量。 3. 进行实验 调试实验装置进行实验。 加速度与力的关系 设计表格，把测得的同一个小车 在不同拉力F作用下的加速度a 填在表1中。 加速度与质量的关系 设计表格，把测得的不同质量 的小车在相同拉力作用下的加速度a填在表2中 4. 数据分析 为了更直观地判断加速度a 与拉力F的定量关系，我们以a为纵坐标、F为横坐标建立直角坐标系。根据各组实验数据在坐标纸上描点。如果这些点在一条过原点的直线附近，说明加速度a 与拉力F成正比。如果不是这样，则需