物理必修12 探究加速度与力、质量的关系课时作业

第2节　实验:探究加速度与力、质量的关系

学习目标

1.理解探究加速度与力、质量的关系的必要性,了解运动与力的定向联系。

2.能够运用控制变量法设计实验并完成实验探究,学会用图像法处理数据、探究规律。

3.理解a-F、a-图像的物理意义,能够对实验误差进行分析。

自主预习

加速度既与力有关,又与质量有关。当一个物理量与多个因素有关时,为了弄清它们之间的关系,物理学中常用的一种方法叫作　　　　　　　　法。即:首先保持物体所受的外力不变,研究　　　　与　　　　的关系;然后保持物体的质量不变,研究　　　　与　　　　的关系;最后经过总结推理,得出加速度与力、质量的关系。 

课堂探究

【课堂引入】 上一节课我们学习了牛顿第一定律,请复述牛顿第一定律的内容。

【体验性探究】 吹物理书小实验:提起封面页,吹剩余页;提起剩余页,用相同大小的力吹封面页;提起剩余页,用不同大小的力吹封面页。观察实验现象,体会力、质量与物体运动状态改变快慢的关系。

结论:

【合作探究(一)】

根据提供的实验仪器,思考如何设计实验方案。

1.应该让小车做什么样的运动?

2.如何改变小车的质量?

3.如何为小车提供恒定的外力并测量它?

4.如何测量(或比较)小车的加速度?

5.如何处理数据?

【合作探究(二)】

利用DIS系统探究加速度与力、质量的关系,定量探究。

小车及传感器质量161 g　　配重铁片质量每片50 g

小桶质量6 g 砝码质量每个5 g

实验器材

位移传感器、多用力学轨道及附件、计算机等。

实验操作

1.安装好实验装置后,进行摩擦力平衡调整,点击软件“从v-t图求加速度”,将小车放到轨道上,调节轨道一端高度,打开位移传感器发射器的电源开关,点击“开始记录”,给小车一个初速度,数据采集完成后点击“停止记录”,直到测得的加速度接近零为止。(课前完成)

2.打开软件主界面,点击“牛顿第二定律”在窗口下方的表格内输入小车的质量及拉力数值。

3.小车上挂上牵引吊桶,释放小车,使小车在吊桶的拉动下开始运动。

4.拖动窗口下方的滚动条,将实验获得的v-t图线置于显示区域中间,点击“选择区域”,选择需要研究的一段v-t图线,表格中自动记录对应的加速度。

5.保持小车质量不变,改变拉力,重复步骤3、4,可得到另外几组数据。

6.点击“a-F图像”按钮,即得到加速度与拉力关系图线。

7.保持拉力不变,改变运动小车的质量,重复步骤3、4,得到另外几组数据。

8.点击“a-m图像”按钮,可得到加速度与质量关系图线。

【思考与讨论】 该实验还可以进一步改进吗?

【实验改进】

【实验结论】

核心素养专练

1.利用打点计时器探究加速度与力、质量的关系实验中,以下做法中正确的是(　　)

A.平衡摩擦力时,应将重物用细绳通过定滑轮系在小车上

B.平衡摩擦力后,长木板位置不能移动,每次改变小车质量时,不需要重新平衡摩擦力

C.小车释放前应靠近计时器,实验时,先放开小车,后接通电源

D.“重物的质量远小于小车的质量”这一条件即使不满足,对探究过程也不会产生影响

2.在“探究加速度与力、质量的关系”实验中,为了消除打点计时器和木板对小车阻力的影响,需要平衡摩擦力,关于该操作环节,下列四种装置图中正确的是(　　)

3.某同学为探究加速度与合外力的关系,设计了如图甲所示的实验装置。一端带有定滑轮的长木板固定在水平桌面上,用轻绳绕过定滑轮及轻滑轮将小车与弹簧测力计相连。实验中改变悬挂的钩码个数进行多次测量,记录弹簧测力计的示数F,并利用纸带计算出小车对应的加速度a。

(1)实验中钩码的质量可以不需要远小于小车质量,其原因是　　　　　。 

A.小车所受的拉力与钩码的重力无关

B.小车所受的拉力等于钩码重力的一半

C.小车所受的拉力可由弹簧测力计直接测出

(2)图乙是实验中得到的某条纸带的一部分。已知打点计时器使用的交流电频率为50 Hz,由纸带数据求出小车的加速度a=　　　　 m/s2。 

(3)根据实验数据可绘出小车的加速度a与弹簧测力计示数F的关系图像,图丙图像中最符合本实验实际情况的是　　　　　。 

4.如图所示为用拉力传感器(能测量拉力的仪器)和速度传感器(能测量瞬时速度的仪器)探究“加速度与物体受力的关系”的实验装置。用拉力传感器记录小车受到拉力的大小,在长木板上相距L=48 cm的A、B两点各安装一个速度传感器,分别记录小车到达A、B时的速率。

(1)实验主要步骤如下:

①将拉力传感器固定在小车上。

②平衡摩擦力,让小车在不受拉力时做　　　　运动。 

③把细线的一端固定在拉力传感器上,另一端通过定滑轮与钩码相连;为保证细线拉力的方向不变,必须调节滑轮的高度使　　　　　　　　　　　　　　　　　　。 

④接通电源后自C点释放小车,小车在细线拉动下运动,记录细线拉力F的大小及小车分别到达A、B时的速率vA、vB。

⑤改变所挂钩码的数量,重复④的操作。

(2)下表中记录了实验测得的几组数据,-是两个速度传感器记录速率的平方差,则加速度的表达式a=　　　　,请将表中第4次的实验数据填写完整(结果保留三位有效数字)。 

　　(3)由表中数据,在坐标纸上作出a-F关系图线。

(4)对比实验结果与理论计算得到的关系图线(图中已画出理论图线),造成上述偏差的原因除了拉力传感器读数可能偏大外,还可能是　　　　　　　　　　　　　。 

参考答案

自主预习

控制变量　加速度　质量　加速度　力

课堂探究

【体验性探究】

结论:力相同时,质量越大,加速度越小;质量相同时,力越大,加速度越大。

【合作探究(一)】

1.初速度为零的匀加速直线运动。

2.改变小车上的配重片。

3.平衡摩擦力,用已知质量的托盘和砝码拉小车,托盘和砝码重力近似为对小车的拉力。

4.用打点计时器测量加速度。或者根据运动学公式,两辆小车由静止开始运动,控制时间相同,位移之比即为加速度之比。

5.采集数据,描点作图。

【合作探究(二)】

实验改进:“a-m图像”是曲线,不能直观反映a-m定量关系,还需点击“a-图像”按钮,可得到加速度与质量的倒数关系图线。

实验结论:在误差允许的范围内,物体加速度与作用力成正比,与质量成反比。

核心素养专练

1.B　2.B

3.解析:(1)根据实验原理可知,弹簧测力计的读数为小车所受的拉力,不需要钩码的质量远小于小车的质量这一条件,A、B错误,C正确。

(2)在匀变速直线运动中连续相等时间内的位移差为常数,即Δx=aT2,

解得a== m/s2=0.75 m/s2。

(3)由题意可知,小车的加速度a与弹簧测力计的示数F的关系应该是线性关系,实验存在阻力,即是不过原点的一条倾斜直线,故B最符合。

答案:(1)C　(2)0.75　(3)B

4.解析:(1)②平衡摩擦力完成的依据是小车在不受拉力作用时恰好做匀速直线运动。

③为保证细线拉力的方向不变,细线必须与长木板平行。

(2)由匀变速直线运动速度与时间的关系-=2aL可得,a=。将-=4.65 m2/s2,L=0.48 m 代入后可得a=4.84 m/s2。

　　(3)如图所示

(4)由作出的a-F图像可知,当拉力F已经大于0时,小车的加速度仍然为0,故可能的原因是没有完全平衡摩擦力。

答案:(1)②匀速直线　③细线与长木板平行

(2)　4.84

(3)见解析图

(4)没有完全平衡摩擦力