高中物理必修一-实验：探究加速度与力、质量的关系

实验：探究加速度与力、质量的关系

知识集结

知识元

实验：探究加速度与力、质量的关系

知识讲解

实验：探究加速度与力、质量的关系

1．实验目的、原理

实验目的：验证牛顿第二定律，即物体的质量一定时，加速度与作用力成正比；作用力一定时，加速度与质量成反比．

实验原理：利用砂及砂桶通过细线牵引小车做加速运动的方法，采用控制变量法研究上述两组关系．

如图所示，通过适当的调节，使小车所受的阻力忽略，当M和m做加速运动时，可以得到

当M>>m时，可近似认为小车所受的拉力T等于mg．

本实验第一部分保持小车的质量不变，改变m的大小，测出相应的a，验证a与F的关系；第

二部分保持m不变，改变M的大小，测出小车运动的加速度a，验证a与M的关系．

2．实验器材

打点计时器，纸带及复写纸，小车，一端附有滑轮的长木板，小桶，细绳，砂，低压交流电源，两根导线，天平，刻度尺，砝码．

3．实验步骤及器材

（1）用天平测出小车和小桶的质量M和m，把数值记录下来．

（2）按下图所示把实验器材安装好．

（3）平衡摩擦力：在长木板的不带滑轮的一端下面垫上一块薄木板，反复移动其位置，直至不挂砂桶的小车刚好在斜面上保持匀速运动为止．

（4）将砂桶通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，使小车运动，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带，并在纸带上标上号码．

（5）保持小车的质量不变，改变砂桶中的砂量重复步骤（4），每次记录必须在相应的纸带上做上标记，列表格将记录的数据填写在表内．

（6）建立坐标系，用纵坐标表示加速度，横坐标表示力，在坐标系上描点，画出相应的图线以验证a与F的关系．

（7）保持砂及小桶的质量不变，改变小车的质量(在小车上增减砝码)，重复上述步骤（5）、（6）验证a与M的关系．

4．数据处理及误差分析

（1）该实验原理中，可见要在每次实验中均要求M>>m，只有这样，才能使牵

引小车的牵引力近似等于砂及砂桶的重力．

（2）在平衡摩擦力时，垫起的物体的位置要适当，长木板形成的倾角既不能太大也不能太小，同时每次改变M时，不再重复平衡摩擦力．

（3）在验证a与M的关系时，作图时应将横轴用表示，这样才能使图象更直观．

5．注意事项

（1）在本实验中，必须平衡摩擦力，方法是将长木板的一端垫起，而垫起的位置要恰当．在位置确定以后，不能再更换倾角．

（2）改变m和M的大小时，每次小车开始释放时应尽量靠近打点计时器，而且先通电再放小车．

（3）每次利用纸带确定a时，应求解其平均加速度．

例题精讲

实验：探究加速度与力、质量的关系

例1.

在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，下列做法中正确的是（ ）

A．实验时，先接通打点计时器电源，再放开小车

B．平衡摩擦力时，应将装砝码的砝码盘用细绳通过定滑轮系在小车上

C．改变小车的质量再次进行实验时，需要重新平衡摩擦力

D．小车运动的加速度可由牛顿第二定律直接求出

例2.

利用图示装置“探究加速度与力、质量的关系”，下列说法中正确的是（ ）

A．实验时，应先接通打点计时器的电源，再放开小车

B．平衡摩擦力时，应将装砝码的砝码盘用细绳通过定滑轮系在小车上

C．改变小车的质量再次进行实验时，需要重新平衡摩擦力

D．小车运动的加速度可由牛顿第二定律直接求出

例3.

某同学设计了一个验证牛顿第二定律的实验，下面图甲为其设计的实验装置简图．

（1）如图乙所示，为该同学做某次实验得到的纸带，可以判断出这条纸带的运动方向是________．（选“向左”或“向右”）

（2）如图丙所示，为该同学根据纸带上的测量数据进行分析处理后所描绘出来的实验图线示意图．设图中直线

的斜率为k，在纵轴上的截距为b，若牛顿第二定律成立．

则：小车受到沙桶的拉力大小为________N；小车的质量大小为________kg．

当堂练习

单选题

练习1.在验证牛顿第二定律的实验中，按实验要求装置好器材后，应按一定步骤进行，下述操作步骤安排不尽合理，请选择出合理的实验顺序．（ ）

（A）保持砂桶里的砂子质量不变，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，改变砂桶里砂子质量，测出加速度，重复几次；

（C）用天平分别测出小车和小桶的质量；

（D）平衡摩擦力，使小车近似做匀速直线运动；

（E）挂上小桶，放进砂子，接通打点计时器的电源，放开小车，在纸带上打下一系列的点；

（F）根据测量数据，分别画出a-F和a-的图线．

A．B、D、C、E、A、F B．D、C、E、B、A、F

C．C、E、A、B、F、D D．A、B、C、D、E、F

练习2.

在验证牛顿第二定律的实验中：某组同学用如图（甲）所示装置，采用控制变量的方法，来研究小车质量不变的情况下，小车的加速度与小车受到的力的关系，下列措施中不需要和不正确的是（ ）

①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

②平衡摩擦力的方法就是，在塑料小桶中添加砝码，使小车能匀速滑动

③每次改变拉小车的拉力后都需要重新平衡摩擦力

④实验中通过在塑料桶中增加砝码来改变小车受到的拉力

⑤实验中应先放小车，然后再开打点计时器的电源．

A．①③⑤ B．②③⑤ C．③④⑤ D．②④⑤

练习3.

在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，某同学组装了如图所示的装置．下列说法中正确的是（ ）

A．小车释放时应靠近定滑轮

B．平衡摩擦力时应将砝码盘与小车相连

C．电磁打点计时器应实验低于6V的直流电源供电

D．砝码和砝码盘的总质量应远小于小车的质量

练习4.

如图所示，在“验证牛顿运动定律”的实验中，下列做法不正确的是（ ）

A．拉小车的细线应该与长木板平行

B．小桶和砂的总质量应远小于小车的总质量

C．平衡摩擦力时，必须通过细线挂上小桶和砂

D．小车应紧靠打点计时器，先接通电源再释放小车

练习5.

在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，下列做法中正确的是（ ）

A．实验时，先接通打点计时器电源，再放开小车

B．平衡摩擦力时，应将装砝码的砝码盘用细绳通过定滑轮系在小车上

C．改变小车的质量再次进行实验时，需要重新平衡摩擦力

D．小车运动的加速度可由牛顿第二定律直接求出

练习6.

利用图示装置“探究加速度与力、质量的关系”，下列说法中正确的是（ ）

A．实验时，应先接通打点计时器的电源，再放开小车

B．平衡摩擦力时，应将装砝码的砝码盘用细绳通过定滑轮系在小车上

C．改变小车的质量再次进行实验时，需要重新平衡摩擦力

D．小车运动的加速度可由牛顿第二定律直接求出

填空题

练习1.

在“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”活动中，某小组设计了如图甲所示的实验装置．图中上下两层水平轨道表面光滑，两小车前端系上细线，细线跨过滑轮并挂上砝码盘，两小车尾部细线连到控制装置上，实验时通过控制装置使两小车同时开始运动，然后同时停止．

（1）在安装实验装置时，应调整滑轮的高度，使________；在实验时，为减小系统误差，应使砝码盘和砝码的总质量________小车的质量（选填“远大于”、“远小于”、“等于”）．

（2）实验中获得数据如下表所示：其中小车Ⅰ、Ⅱ的质量m均为200g．

实验次数 小车 拉力F/N 位移x/cm

1 Ⅰ 0.1

Ⅱ 0.2 46.51

2 Ⅰ 0.2 29.04

Ⅱ 0.3 43.63

3 Ⅰ 0.3 41.16

Ⅱ 0.4 44.80

4 Ⅰ 0.4 36.43

Ⅱ 0.5 45.56

在第1次实验中小车Ⅰ从图乙中的A点运动到B点，则表中空格处的测量结果应该是_________．通过分析，可知表中第_______次实验数据存在明显错误，应舍弃．

练习2.

在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，采用如图a所示的实验装置，把附有滑轮的长木板平放在水平的实验桌上．小车及车中砝码的质量用M表示，盘及盘中砝码的质量用m表示，小车所受拉力用F表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带由打点计时器打上的点计算出．

（1）如图b为甲同学根据测量数据作出的a﹣图线，图线不过原点的原因是平衡摩擦力时长木板倾角过 （填“大”或“小”）；图线的AB段明显偏离直线的原因是 ．（填选项前字母）

A．所挂钩码的总质量过小 B．小车与轨道之间存在摩擦

C．所用小车的总质量越来越大 D．所用小车的总质量越来越小

（2）乙、丙同学用同样器材做实验，所用小车总质量分别为M乙和M丙，画出了各自得到的a﹣F图线如图c所示，由图线可知M乙

M丙（填“＞”、“=”或“＜”）．

（3）在处理数据时，总是把托盘和砝码的重力当作小车所受牵引力．而实际上小车所受牵引力比托盘和砝码的总重力要 一些（选填“大”或“小”）．因此，为使实验结论的可信度更高一些，应使托盘和砝码的总质量尽可能 一些（选填“大”或“小”）．

练习3.

某同学用如图甲所示装置做“探究物体的加速度跟力的关系”的实验．实验时保持小车的质量不变，用钩码所受的重力作为小车受到的合力，用打点计时器和小车后端拖动的纸带测出小车运动的加速度．

（1）实验时先不挂钩码，反复调整垫木的左右位置，直到小车做匀速直线运动，这样做的目的是_________________________________________．

（2）图乙为实验中打出的一条纸带的一部分，从比较清晰的点迹起，在纸带上标出了连续的5个计数点A、B、C、D、E，相邻两个计数点之间都有4个点迹没有标出，测出各计数点到A点之间的距离，如图乙所示．已知打点计时器接在频率为50Hz的交流电源两端，则此次实验中小车运动的加速度的测量值a=______m/s2．（结果保留两位有效数字）

（3）实验时改变所挂钩码的质量，分别测量小车在不同外力作用下的加速度．根据测得的多组数据画出a-F关系图线，如图丙所示．试分析：图线不通过坐标原点O的原因是___________________________；曲线上部弯曲的原因__________________________．