2012高考总复习物理课件实验4探究加速度与力质量的关系

1实验四 探究加速度与力 质量的关系 2一、实验目的 1了解如何来描述物体的运动状态，明确物体 运动状态的改变必有加速度； 2掌握一种科学的研究方法控制变量法；3理解加速度和力的关系，并知道得出这个关 系的实验思想和方法； 4理解加速度与质量的关系，并知道得出这个 关系的实验思想和方法3二、实验原理 物体的加速度a不仅跟它所受到的外力F有关，还 取决于它自己的属性质量m.为了定量地研究a 、F、m三者之间的关系，先保持一个量(质量m)不 变，研究其他两个量(加速度a与外力F)之间的关系 ；然后再保持另一个量(外力F)不变，研究其他两 个量(加速度a与质量m)之间的关系；最后把两个结 果综合起来得出a与F、m之间的关系这种方法称 为控制变量法4分析 对小车及小桶分别列出牛顿第二定律方程得 ：小车：T1MaM，小桶：mgT1mam，且有： T1T1，aMam.联立解得：aMam ，T1g5三、实验器材 打点计时器；纸带及复写纸片；小车；一端附有定 滑轮的长木板、砝码；细绳；低压交流电源；两根 导线；天平；刻度尺；小砂桶；砂6四、实验步骤图1 1用天平测出小车和小砂桶的质量M和m. 2按图1所示把实验器材安装好，但不把悬挂小砂 桶的细绳系在小车上(即不给小车加牵引力)73平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下 面垫上一块薄木板，反复移到木板的位置，直到 小车在斜面上运动时能保持匀速运动状态，这时 小车拖着纸带运动时受到的摩擦力恰好与小车所 受的重力在斜面方向上的分力平衡 4把细绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂小砂桶 ，让小车紧靠打点计时器，先接通电源再放开小 车，取下纸带，在打点纸带上标上纸带号码85保持小车的质量不变，改变小砂桶内砂的质量 ，即改变小车的牵引力，再做几次实验 6在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，按 “测定匀变速直线运动的加速度”实验中的方法 算出每条纸带的加速度 7用纵坐标表示加速度，横坐标表示力，根据实 验结果在坐标平面上画出相应的点，如果这些点 在一条倾斜直线上，便证明了加速度与作用力成 正比98保持砂和小砂桶的质量不变，在小车上依次加 砝码(做好记录)，重复上述步骤(4)和步骤(6)，用 纵坐标表示加速度，横坐标表示小车及砝码总质 量的倒数，在坐标平面上根据实验结 果画出相应 的点，如果这些点在一条倾斜的直线上，就证明 加速度与质量成反比10五、数据处理 利用图象处理数据是一种常用的重要方法将实验 中得到的数据通过描点作出图象，可以非常直观地 看出两个物理量之间的关系，也可以有效地减小实 验误差，确定并排除实验中测得的一些错误数据 在探究加速度与力的关系的实验中，以加速度a为 纵坐标，力F为横坐标，根据各组数据在坐标系中 描点如果这些点在一条过原点的直线上，说明a 与F成正比11在探究加速度与质量的关系实验中，“加速度a与 质量m成反比”实际上就是“加速度a与质量的倒 数 成正比”，以加速度a为纵坐标，以质量的倒 数 为横坐标建立坐标系，根据a 图象是不是 过原点的直线，就能判断a与m是否成反比12六、实验误差来源与分析1因实验原理不完善引起的误差：本实验用砂和小砂桶的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于砂和小砂桶的总 重力砂和小砂桶的总质量越接近于小车和砝码的 总质量，误差越大；反之，砂和小砂桶的总质量越 小于小车和砝码的总质量，由此引起的误差就越小 因此，满足砂和小砂桶的总质量远小于小车和砝 码的总质量的目的就是为了减小因实验原理不完善 而引起的误差2摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、记数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都 会引起误差13七、注意事项 1实验步骤(3)不需要重复，即整个实验平衡了摩 擦力后，不管以后是改变小砂桶中砂的质量还是改 变小车和砝码的质量都不需要重新平衡摩擦力 2在实验中一定要注意使砂和小砂桶的总质量远 小于小车和砝码的总质量. 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 ，且在小车到达定滑轮前应按住小车144各纸带的加速度，都应是该纸带 的平均加速度 5作图象时，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的分布在所作直线 的两侧15题型一 实验操作与技巧 例1 在做“验证牛顿第二运动定律”的实验时 ，某学生将实验装置如图2安装，准备接通电源后 开始做实验，但他的装置图中有几个明显的错误 ，请写出两个：图216(1)_ _； (2)_ _ 解析 实验中打点计时器不能用直流电源，没有 平衡摩擦力，小车没有靠近打点计时器 答案 (1)不能用直流电源 (2)没有平衡摩擦力17题后反思：本题主要考查实验操作及注意事项，只 要对这些有一定的了解，解决此类问题较容易18做“验证牛顿第二定律”实验时 ，按实验要 求安装好器材后，应按一定的步骤进行实验， 下列给出供选择的操作步骤： A保持小桶和砂的质量不变，在小车里加砝 码，测出加速度，重复几次 B保持小车质量不变，改变小桶里砂子的质 量，测出加速度，重复几次 C用天平测出小车和砂子的质量19D在长木板没有定滑轮的一端垫上厚度合适的垫 木，平衡摩擦力 E根据测出的数据，分别画出aF和a 图象 F用秒表测出小车运动的时间 G将装有砂子的小桶用细线通过定滑轮系到小 车上，接通电源，释放小车，在纸带上打出一系 列的点 以上步骤中，不必要的步骤是_，正确步 骤的合理顺序是_(填写代表字母) 答案：F CDGABE20题型二 实验数据的处理和误差分析 例2 如图3甲所示为实验 中用打点计时器打出 的一条较理想的纸带，纸带上A、B、C、D、E、 F、G为七个相邻的计数点，相邻计数点间的时间 间隔是0.1 s，距离如图甲所示，单位是 cm，小车 的加速度是_m/s2，在验证质 量一定时加 速度a和合外力F的关系时，某学生根据实验数据 作出了如图乙所示的aF图象，其原因是 .21图322根据测量数据作出的aF图线没有过原点，图象交 于a轴上一点，说明平衡摩擦力过度 答案 1.6 平衡摩擦力过度23题后反思：a的计算用公式xaT2，通过计算平均 值确定a的大小，平均值的求解用逐差法计算较为 精确，aF图象的形状为不过原点的直线，表明平 衡摩擦力的操作存在问题24用斜面、小车、砝码等器材按图4(1)所示方法 探究a、m、F三者关系的实验中，得到图4(2) 所示的一条打点的纸带，相邻计数点的时间 间隔为T，且间距x1，x2，x3x6已量出图425(1)请写出三个不同的计算加速度的表达式 (2)如图5(1)所示，是甲同学根据测量数据画出的a F图线，表明实验的问题是_ (3)乙、丙同学用同一装置实验，画出了各自得到 的aF图线如图5(2)所示，说明两个同学做实验 时的哪一个物理量取值不同？并比较其大小图526解析：本题主要考查根据纸带求匀变速直线运动的 加速度和对图象法处理实验数据得到的aF图象的 理解 (1)a(x2x1)/T2 a(x4x1)/(3T2) a(x6x5x4)(x3x2x1)/(9T2) (2)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 (3)小车及车上的砝码的总质量不同，且m乙<m丙答案：见解析27图6 1如图6所示，在研究牛顿第二定律的演示实验 中，若1、2两个相同的小车所受拉力分别为F1、 F2，车中所放砝码的质量分别为m1、m2，打开夹 子后经过相同的时间两车的位移分别为x1、x2， 则在实验误 差允许的范围内，有( )28A当m1m2、F12F2时，x12x2 B当m1m2、F12F2时，x22x1 C当m12m2、F1F2时，x12x2 D当m12m2、F1F2时，x22x1 解析：题中m1和m2是车中砝码的质量，绝不能认为 是小车的质量本题中只说明了两小车是相同的， 并没有告诉小车的质量是多少当m1m2时，两车 加砝码质量仍相等，若F12F2，则a12a2，由x at2得x12x2，A对若m12m2时，无法确定两车加 砝码后的质量关系，两小车的加速度关系也就不明 确，所以无法判定两车的位移关系 答案：A29图72如图7所示是在验证牛顿第二定律实验中，根 据实验数据描绘出的三条aF图象，下列说法中 正确的是( ) A三条倾斜直线所对应的小车和砝码的总质量 相同 B三条倾斜直线所对应的小车和砝码的总质量 不同 C直线1对应的小车和砝码的总质量最大 D直线3对应的小车和砝码的总质量最大30解析：由牛顿第二定律得：Fma，a ·F， 直线的斜率等于质量的倒数，三条直线的斜率不同 ，说明三条直线所对应的小车和砝码的总质量不同 ，由图可知，直线1的斜率最大，所对应的总质量 最小；直线3的斜率最小，所对应的总质量最大 正确选项为BD. 答案：BD313某同学在做加速度和力、质量的关系的实验中 ，测得小车的加速度a和拉力F的数据如下表所示F/N0.200.300.400.500.60 a/m·s20.110.190.290.400.51图图832(1)根据表中的数据在坐标图上作出aF图象；(2)图象的斜率的物理意义是_； (3)图象(或延长线)与F轴的截距的物理意义是 _； (4)小车和砝码的总质量为_kg.33答案：(1)aF图象如图9所示图9 (2)小车和砝码的总质量的倒数 (3)小车受到的阻力为0.1 N (4)1.00344同学们在做“验证牛顿第二定律”的实验 (1)甲同学为了使小车受到合外力等于小砂桶和砂 的总重量，他采用如下两个措施： A平衡摩擦力：将长木板无滑轮的一端下面垫一 小木块，反复移动木块的位置，直到小车在小砂 桶的拉动下带动纸带 与小车一起做匀速直线运动 ； B调整砂的多少，使砂和小砂桶的总质量m远小 于小车和砝码的总质量M. 请问：以上哪一个措施中有何重大错误？ 答： _.35(2)乙同学在实验中，他保持小车及砝码总质 量M 不变反复改变砂的质量，并测得一系列数据， 结果发现小车受到的合外力(小砂桶及砂的总重量) 与加速度的比值略大于小车及砝码总质 量M，经 检查发现 滑轮非常光滑，打点计时器工作正常， 且事先基本上平衡了摩擦力，那么出现这种情况 的主要原因是什么？ 答： _.36答案：(1)A，因为该措施中平衡摩擦力时，不应用 小砂桶拉动小车做匀速运动，应让小车自身下滑来 平衡摩擦力 (2)由于未满足mM，拉小车的合外力F<mg，因此 ，M<375(2009·江苏高考)“探究加速度与物体质量、物 体受力的关系”的实验装置如图10甲所示图1038(1)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中，打出 了一条纸带如图10乙所示计时器打点的时间间 隔为0.02 s从比较清晰的点起，每5个点取一个 计数点，量出相邻计数点之间的距离该小车的 加速度a_m/s2.(结果保留两位有效数字)39(2)平衡摩擦力后，将5个相同的砝码都放在小车上 挂上砝码盘，然后每次从