第4章 第2节 探究加速度与力、质量的关系-【优学精讲】2024-2025学年高中物理必修第一册教用Word(教科版)

 

第2节　探究加速度与力、质量的关系

一、实验目的

1．学会用控制变量法探究物理规律。

2．探究加速度与力、质量的关系。

3．掌握利用图像处理数据的方法。

二、实验原理

采用控制变量法，在探究加速度与力、质量三者关系时，先让其中一个量保持不变来探究其他两个量之间的关系。

1．控制小车的质量M不变，分析加速度a与力F的关系。

2．控制砝码和小盘的质量不变，即力F不变，改变小车的质量M，分析加速度a与M的关系。

三、实验器材

打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、重物、夹子、细绳、交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺。

四、实验方案

1．三个物理量的测量方法

本实验的研究对象：小车 (装置如图所示)。

(1)小车质量的测量：利用天平测出。在小车上增减砝码可改变小车的质量。

(2)拉力的测量：在砝码盘和砝码的总质量远小于小车质量的情况下，可以认为砝码盘和砝码所受的总重力近似等于小车所受的拉力(合外力)。

(3)加速度的测量：由纸带根据公式Δx＝aT2，结合逐差法计算出小车的加速度。

2．实验数据的处理方法——图像法、“化曲为直”法

(1)研究加速度a和力F的关系

以加速度a为纵坐标，力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出图像，如图所示，若图像是一条通过原点的直线，就能说明a与F成正比。

(2)研究加速度a与质量M的关系

如图所示，因为a－M图像是曲线，检查a－M图像是不是双曲线，就能判断它们之间是不是成反比关系，但检查这条曲线是不是双曲线，相当困难。若a和M成反比，则a与必成正比。我们采取“化曲为直”的方法，以a为纵坐标，以为横坐标，作出a－图像，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。

五、注意事项

1．平衡摩擦力时不要挂重物。整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的质量还是改变小车和砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力。

2．实验中必须使小车和砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量。

3．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。

4．作图像时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧。

题型一　教材原型实验

角度1　利用打点计时器测加速度

　小军同学采用图甲装置进行实验：

(1)要使细线的拉力约等于钩码所受的总重力，应满足的条件是钩码的质量要________(选填“等于”“远小于”或“远大于”)小车的质量；

(2)打点计时器所用的电源频率为50 Hz，实验得到的一条纸带如图乙所示，纸带上每相邻的两个计数点之间都有四个点未画出。按时间顺序取 0、1、2、3、4、5六个计数点，实验中用直尺量出各计数点到0点的距离如图乙所示(单位：cm)。在计数点1所代表的时刻，纸带运动的瞬时速度v1＝________ m/s，小车的加速度a＝________m/s2(保留2位有效数字)；

(3)在保持小车及车中的砝码质量M一定，探究加速度与所受合外力的关系时，二位同学根据各自的实验数据分别作出的aF图线如图丙、丁所示，对这两图的分析正确的是________。

A.丙图图线不通过原点，可能是因为计算F时未计入砝码盘所受的重力

B．丙图图线不通过原点，可能是因为没有平衡摩擦力

C．丁图图线的弯曲部分，是因为小车的质量太大

D．丁图图线的弯曲部分，是因为钩码总质量太大

[解析]　(1)根据题意，设绳子的拉力为F，由牛顿第二定律，对小