1、第2节牛顿第二定律第1课时实验：探究加速度与力、质量的关系一、实验目的1学会用控制变量法研究物理规律2掌握利用图象处理数据的方法3探究加速度与力、质量的关系二、实验原理1探究加速度a与力F及质量m的关系，采用的基本方法是控制变量法(1)如图1所示，保持小车的总质量不变，改变小盘内砝码的个数(或小桶内砂子的质量)，从而改变细绳对小车的拉力F，测出小车的加速度，研究小车的加速度与拉力的关系图1(2)保持小盘和砝码的总质量不变，即细绳对小车拉力F不变，在小车上增减砝码，改变小车的总质量，测出小车对应的加速度，研究小车的加速度与其质量的关系2测量方法(1)小车与其上砝码的总质量M用天平测量；(2)小车
2、的加速度a利用打点计时器打出的纸带，由saT2来计算；(3)小车所受的合外力F用天平测量小桶和沙子的总质量，由Gmg来计算三、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、刻度尺、天平、砝码.一、实验步骤1用天平分别测出小车的质量和小桶的质量，把数据记录下来2按如图2所示安装器材图23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块，反复移动薄木块的位置，直至不挂重物的小车在斜面上运动时可保持匀速运动状态这时小车拖着纸带运动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在小车上加放砝码，小桶里放入适量的沙子，把砝码和沙子
3、的质量记录下来把细线系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，取下纸带，在纸上写上编号5保持小车及车内砝码的质量不变，改变沙子的质量(要用天平称量)，按步骤4再做几次实验，将实验时记录的数据填入表格1中6算出每条纸带对应的加速度的值并填入表格1中表格1物体的质量一定，加速度与受力的关系实验次数加速度a/(ms2)小车受力F/N12347.保持沙子和小桶的质量不变，在小车上增减砝码，重复上述步骤4，将实验时记录的数据填入表格2中8算出每条纸带对应的加速度的值并填入表格2中表格2物体受到的合外力一定，加速度与质量的关系实验次数 加速度a/(ms2)小车及车
4、内砝码质量M/kg小车及车内砝码质量的倒数/kg11234二、数据处理1探究加速度与力的关系：以a为纵坐标、F为横坐标，根据表格1中的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，如图3所示图32探究加速度与质量的关系：“a与M成反比”实际上就是“a与成正比”以a为纵坐标，为横坐标建立坐标系，根据表格2中的数据描点根据a图象是不是过原点的直线，就能判断a是不是与质量M成反比，如图4所示图43实验结论：在误差允许的范围内：(1)物体质量一定时，物体的加速度与作用在物体上的合外力成正比(2)物体受到的合外力一定时，物体的加速度与物体的质量成反比(3)综合(1)(2)结论则
5、有：物体的加速度与作用在物体上的合外力成正比，与物体的质量成反比三、误差分析1系统误差(1)误差分析：本实验中所挂重物的重力为G，小车受到细线的拉力为T.由于沙桶是在加速下降，所以TG.本实验中用G代替T，故存在系统误差(2)减小误差的方法：所挂重物的质量远小于小车的总质量2偶然误差(1)误差分析：因读数不准和操作不当造成的误差质量的测量误差测量纸带上各点间的距离的误差细线或纸带与木板不平行造成的误差平衡摩擦力不够(或过度)造成的误差，该误差使作出的图象在横轴(或纵轴)上产生截距(2)减小误差的方法用天平和刻度尺测量时按照规范操作的要求进行测量和读数将纸带展开减小摩擦平衡摩擦力时，用打点法验证
6、四、注意事项1在本实验中，必须平衡摩擦力平衡摩擦力时不要挂重物平衡摩擦力后，在后面的实验中不管是改变砝码盘和砝码的质量还是改变小车的质量，都不需要重新平衡摩擦力2实验中，必须满足小车及小车上砝码的总质量远远大于所挂砝码盘和盘中砝码的质量只有这样，砝码盘和砝码的总重力才可以视为与小车所受细线的拉力相等3在每次实验时，从尽量靠近打点计时器的位置由静止释放小车，并且先通电后释放小车，在小车到达定滑轮位置时按住小车4利用纸带计算加速度时，应该求每条纸带上加速度的平均值5作图象时，要使尽可能多的点落在所作的直线上，不在直线上的点应尽可能对称地分布在所作直线的两侧偏离直线较远的点可舍去不予考虑.实验探究1
7、实验步骤及原理的考查用如图5所示的装置研究在作用力F一定时，小车的加速度a与小车质量M的关系，某位同学设计的实验步骤如下：图5A用天平称出小车和重物的质量；B按图装好实验器材；C把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂重物；D将电磁打点计时器接在6 V电压的蓄电池上，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，并在纸带上标明小车质量；E保持重物的质量不变，增加小车上的砝码个数，并记录每次增加后的M值，重复上述实验；F分析每条纸带，测量并计算出加速度的值；G作aM关系图象，并由图象确定aM关系(1)该同学漏掉的重要实验步骤是 _，该步骤应排在 _步实验之后(2)在上述步骤中，有错误的是_，应把_
8、改为_(3)在上述步骤中，处理不恰当的是_，应把_改为_【解析】实验中认为重物的重力与小车所受拉力大小相等，没有考虑摩擦力，故必须平衡摩擦力电磁打点计时器接在6 V电压的蓄电池上将无法工作，必须接在6 V以下交流电压的学生电源上作aM关系图象，得到的是双曲线，很难作出正确的判断，必须“化曲为直”，改为a关系图象【答案】(1)平衡摩擦力B(2)D6 V电压的蓄电池6 V交流电压的学生电源(3)GM实验探究2实验数据的处理在做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时，计算出各纸带的加速度后，将测得的反映加速度a和力F的关系的有关资料记录在表1中，将测得的反映加速度a和质量M的关系的资料列在表2中表1
9、a/(ms2)1.984.065.958.12 F/N1.002.003.004.00表2a/(ms2)2.04 2.663.233.981/M(kg1)0.500.670.801.00(1)根据图中所列数据，分别画出aF、a1/M图象；(2)从图象可以判定：当M一定时，a与F的关系为_；当F一定时，a与M的关系为_；(3)由aF图象可知M_；(4)由a1/M图象可知F_.【解析】(1)描点连线，得aF、a图象如图所示 (2)从图象可以看出，当M一定时，a与F成正比例关系；当F一定时，a与M成反比例关系(3)由aF图象可知，M为图线的斜率的倒数，则M0.5 kg.(4)由a图象可知，F为图线的
10、斜率，则F4 N.【答案】(1)见解析(2)正比例关系反比例关系(3)0.5 kg(4)4 N实验探究3创新实验设计为了“探究加速度与力的关系”，使用如图6所示的气垫导轨装置进行实验其中G1、G2、为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑行器通过G1、G2光电门时，光束被遮挡的时间t1、t2都可以被测量并记录，滑行器连同上面固定的一条形挡光片的总质量为M，挡光片宽度为D，两光电门间的距离为s，牵引砝码的质量为m.回答下列问题：图6(1)实验开始应先调节气垫导轨下面的螺钉，使气垫导轨水平在不增加其他仪器的情况下，如何判定调节是否到位？(2)若取M0.4 kg，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值不合适的一个是_；Am15 g Bm215 gCm340 g Dm4400 g(3)在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，求得加速度的表达式为_(用t1、t2、D、s表示)【解析】(1)如果气垫导轨水平，则不挂砝码时，滑行器应能在任意位置静止不动，或推动滑行器后能使滑行器匀速运动(2)应满足Mm，故m4400 g不合适，应选D.(3)由v1，v2，vv2as可得a.【答案】见解析
