第四章 牛顿运动定律
2 实验:探究加速度与力、质量的关系
学习目标
1.了解影响加速度的因素——力和质量.
2.通过实验测量加速度、力、质量,分别作出加速度与力、加速度与质量的关系图象.
3.能根据图象得出加速度与力、质量的关系.
4.体会“控制变量法”对研究问题的意义.
自主探究
1.物体运动状态变化的快慢,也就是物体 的大小,与物体的 有关,还与物体的 有关.?
2.物体的质量一定时,受力越大,其加速度越 ;物体的受力一定时,质量越小,加速度越 .?
3.探究加速度与力的定量关系时,应保持物体 不变,测量物体在 下的加速度;探究加速度与质量的关系时,应保持物体 不变,测量不同质量的物体在 下的加速度.?
4.根据实验数据作出 图象和 图象,都应是过原点的直线.因此,物体的加速度与力成 ,与质量成 .?
合作探究
一、实验前准备
问题:(1)请同学们猜一猜加速度与力、质量有什么关系,列举出实例.
(2)研究一个物理量同时与两个物理量有什么关系,应当采用什么方法?
(3)保持质量一定,怎样研究加速度与受力的关系,或保持受力一定,怎样研究加速度与质量的关系?
(4)绳拉小车的力是小车受的合力吗?
1.力是物体产生 的原因,有力作用在物体上,就有 产生,且力越大,产生的 也越大.?
2.物体具有惯性,物体的 决定了运动状态的改变难易,即物体的加速度的大小与物体的 有关.?
3.如果物体做匀加速直线运动,可以通过打点计时器打出的纸带,计算得到 .?
4.通过绳子和定滑轮把 转化为物体受到的恒力.?
二、实验过程
1.实验原理:(1)控制变量法;(2)通过打点计时器打出纸带测 .?
2.实验器材:打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端带有定滑轮的长木板、砝码盘、夹子、细绳、低压交流电源、导线、砝码、 、 .?
3.实验步骤:(1)用 测出小车和盛有砝码的砝码盘的质量M和m.?
(2)安装实验器材如图所示.
(3)在长木板 的一端下面垫上一块薄木块,通过调节能让小车带着纸带做 运动.?
(4)砝码盘绕过滑轮系于小车上,先 再 ,取下纸带编写号码.?
(5)保持小车的质量M不变,通过增减砝码改变砝码盘和砝码的质量m,重复步骤(4).
(6)保持砝码和砝码盘的质量m不变,通过砝码改变小车的质量M,重复步骤(4).
(7)按顺序研究纸带上记录的信息,计算出对应的小车的加速度大小,并记录数据.
4.数据处理:(1)以加速度a为纵坐标,以F为横坐标,根据测量的数据描点,然后作出图象,看图象是否是通过原点的直线,就能判断a与F是否成 .?
(2)以a为纵坐标、m为横坐标,根据各组数据在坐标系中描点,将会得到一条曲线.由图线只能看出m增大时a减小,但a与m具体是什么关系,不能得出.若以a为纵坐标, 为横坐标,将会得到一条过原点的倾斜直线,据此可判断a与m成 .?
5.注意事项:(1)一定要做好 的工作,也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到的 .在平衡摩擦力时,不要把悬挂砝码盘的细线系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,并要让小车拖着纸带运动.?
(2)每条纸带必须在满足小车的质量 砝码盘和砝码的总质量的条件下打出.只有如此,砝码盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力.?
(3)改变拉力和小车质量后,每次开始时小车应尽量靠近 ,并应先 ,再 .?
6.实验结论:根据实验数据画出的图象可以看出,加速度与力成 、与质量成 .?
课堂检测
1.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,当作用力一定,探究加速度与质量的关系时,以下做法正确的是( )
A.平衡摩擦力时,应将穿过打点计时器的纸带固定在小车上
B.每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力
C.实验时,先放开小车,再接通打点计时器的电源
D.实验数据处理时应作am图象寻找加速度与质量的关系
2.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,下面的说法中正确的是( )
A.平衡摩擦力时,托盘应用细线通过定滑轮系在小车上,但托盘内不能装砝码
B.实验中应始终保持小车和砝码的质量远大于托盘和砝码的质量
C.实验中如用纵坐标表示加速度,用横坐标表示小车和车内砝码的总质量,描出相应的点在一条直线上,即可证明加速度与质量成反比
D.平衡摩擦力时,小车后面的纸带必须连好,因为运动过程中纸带也要受到阻力
3.“探究物体的加速度与力、质量的关系”的实验也可以不测加速度的具体数值,通过测出两个初速度为零的匀加速运动在相同时间内发生的位移x1、x2来测量不同情况下物体加速度的比值,此比值= .?
如果a图象是通过坐标原点的一条直线,则说明 .?
A.加速度a与质量m成正比
B.加速度a与质量m成反比
C.质量m与加速度a成反比
D.质量m与加速度a成正比
4.某同学做“探究加速度与力、质量的关系”的实验,使用的器材有:带滑轮的长木板、小车及往小车上摆放的大砝码、细线、小盘及往小盘里放的小砝码、打点计时器等.
(1)他以小盘和盘内砝码的总重力作为细线对小车的拉力F,测出不同拉力F对应的加速度a的值,并把各数据标在aF坐标系上,发现它们都在一条直线的附近,这条直线不过坐标原点,如图甲所示,产生这种情况的原因是什么?
甲
答: .?
(2)经过调整后,该同学作出的aF图象如图乙中的A所示,另一位同学使用同一套仪器作出的aF图象如图乙中的B所示,则mA mB(选填“>”“=”或“<”).?
乙
5.某学生用如图甲所示实验装置做“探究加速度与力、质量的关系”实验,保持小车的质量不变,测得小车的加速度a和拉力F的数据如下表所示.
甲
F/N
0.20
0.30
0.40
0.50
a/(m·s-2)
0.10
0.21
0.29
0.40
乙
(1)根据表中的数据在图乙中画出aF图线.
(2)把图线延长,看看图线是否通过原点?如果不通过原点,试分析在操作过程中可能遗漏了哪个步骤:?
.?
6.用如图所示的装置来探究物体的加速度与力、质量的关系.实验时,小盘和砝码牵引小车,使小车做初速为零的匀加速直线运动.
(1)此实验中可以不测量加速度的具体值,原因是: .?
(2)通过改变 ,就可以改变小车所受到的合力.?
(3)在探究加速度与质量的关系时,分别以 为纵坐标、 为横坐标作图象,这样就能直观地看出其关系.?
7.现要验证“当质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一物理规律.给定的器材如下:一倾角可以调节的长斜面(如图所示)、小车、计时器一个、刻度尺.
填入适当的公式或文字,完善以下实验步骤(不考虑摩擦力的影响):
(1)让小车自斜面上方一固定点A1从静止开始下滑至斜面底端A2,记下所用的时间t.
(2)用刻度尺测量A1与A2之间的距离x,则小车的加速度a= .?
(3)用刻度尺测量A1相对于A2的高度h,设小车所受重力为mg,则小车所受的合外力F= .?
(4)改变 ,重复上述测量.?
(5)以h为横坐标、为纵坐标,根据实验数据作图.如能得到一条过原点的直线,则可以验证“当质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一规律.
8.在“探究加速度与力、质量的关系”实验中.
(1)某组同学用如图所示装置,采用控制变量的方法,来研究在小车质量不变的情况下,小车的加速度与小车受到力的关系.下列措施中不需要或不正确的是 .?
A.首先要平衡摩擦力,使小车受到的合力就是细绳对小车的拉力
B.平衡摩擦力的方法是,在塑料小桶中添加砝码,使小车能匀速运动
C.每次改变拉小车的拉力后都需要重新平衡摩擦力
D.实验中,通过在塑料桶中增减砝码来改变小车受到的拉力
E.每次小车都要从同一位置开始运动
F.实验中应先放小车,然后再接通打点计时器的电源
(2)某组同学实验得出数据,画出的a的关系图线如图所示.从图象中可以看出,作用在物体上的恒力F= N.?
参考答案
自主探究
1.加速度 受力 质量
2.大 大
3.质量 不同力的作用 受力 相同力的作用
4.aF a 正比 反比
合作探究
一、实验前准备
1.加速度 加速度 加速度
2.质量大小 质量
3.加速度
4.重物的重力
二、实验过程
1.加速度
2.天平 刻度尺
3.天平 靠近打点计时器 匀速直线 通电源 放开小车
4.正比 反比
5.平衡摩擦力 摩擦阻力 远大于 打点计时器 接通电源 释放小车
6.正比 反比
课堂检测
1.AB 解析:选项A中,平衡摩擦力实际上就是使小车所受重力的下滑分力与小车所受阻力相平衡,该阻力包含小车受到的摩擦力和纸带受到的摩擦力.可见,平衡摩擦力时,应将纸带穿过打点计时器固定在小车上.选项B中,平衡摩擦力以后,再改变小车质量时,不需要重新平衡摩擦力.选项C中,实验时,先通电,待打点计时器稳定后再放小车,使打点清晰,便于测量.选项D中,在寻找加速度与质量的关系时,应作出a与之间的关系图象,因为a与m的关系图线为一曲线,不能直观地得出a与m之间的关系.
2.BD 解析:小车和砝码的总质量远大于托盘和重物的总质量是为了减小系统误差.平衡摩擦力时必须将小车后面的纸带连好.
3.解析:由x=at2可知,物体的位移与加速度成正比,所以
.a图线经过原点的话,说明a与成正比,即加速度a与质量m成反比.
答案: B
4.解析:(1)由图象甲可知,当施加一个拉力时,小车还没有获得加速度,即小车受的合外力为零,这说明此时小车仍受到摩擦力的作用,故产生这种情况的原因是未平衡摩擦力或平衡摩擦力不够.
(2)在aF图象中,图线的斜率表示小车质量的倒数,斜率越大,说明小车的质量越小.故mA答案:(1)未平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 (2)<
5.解析:(1)图象如图所示
(2)图线不通过坐标原点,交于横轴,说明没有平衡摩擦力或者没有完全平衡摩擦力.
答案:(1)见解析 (2)平衡摩擦力
6.答案:(1)可以转化为探究加速度与其他量之间的比例关系(其他答法只要正确就行.如:初速度为零的匀加速直线运动,在相同的时间内,位移与加速度成正比)
(2)砝码的数量
(3)a(或) (或a)
7.解析:(2)由x=at2可得a=.
(3)小车在斜面上受重力和支持力的作用,其合力F=mgsinα=mg.
(4)改变小车所受外力研究加速度和力的关系.改变受力通过改变斜面的倾角α或斜面的高度h来实现.
答案:(2) (3)mg (4)斜面的倾角α或斜面的高度h
8.解析:(1)本实验中,在平衡摩擦力时,不应该将塑料桶挂在小车上,并且只需要在实验之前平衡一次摩擦力即可,不需要每次改变拉小车的拉力后都重新平衡摩擦力,实验中通过在塑料桶中增减砝码来改变小车受到的拉力,每次小车不一定都从同一位置开始运动,并且是先接通电源,再放开小车.
(2)图线的斜率表示小车受的合力,则F=N=5N.
答案:(1)BCEF (2)5
