1.知道探究加速度、質(zhì)量、力三者關(guān)系的實(shí)驗(yàn)方案,體會(huì)用“控制變量法”研究物理規(guī)律。2.會(huì)使用基本的力學(xué)實(shí)驗(yàn)器材獲取加速度、力、質(zhì)量等數(shù)據(jù),并作出加速度與力、加速度與質(zhì)量的關(guān)系圖像,能根據(jù)圖像得出加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。3.領(lǐng)會(huì)近似思想以及化曲為直的轉(zhuǎn)化思維,知道平衡摩擦力的方法,會(huì)對實(shí)驗(yàn)誤差做初步分析。
一、實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置,小車的加速度由紙帶測出,小車的質(zhì)量由天平測得,外力即為槽碼的質(zhì)量。在探究加速度與力及小車質(zhì)量的定量關(guān)系時(shí),用到的基本方法是控制變量法,即:(1)保持小車質(zhì)量不變,通過改變槽碼的個(gè)數(shù)改變小車所受的拉力。(2)保持小車所受的拉力不變,通過在小車上增加重物改變小車的質(zhì)量。
二、實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、復(fù)寫紙、小車、一端有定滑輪的長木板、槽碼、夾子、細(xì)繩、低壓交流電源、導(dǎo)線、天平(帶有一套砝碼)、刻度尺、薄木板。三、實(shí)驗(yàn)步驟1.用天平測出小車和槽碼的質(zhì)量m和m′,把數(shù)據(jù)記錄在表格中。2.按實(shí)驗(yàn)裝置圖把實(shí)驗(yàn)器材安裝好,使長木板有滑輪的一端伸出桌面。3.在長木板不帶定滑輪的一端下面墊上薄木板,通過前后移動(dòng),來補(bǔ)償阻力。4.把細(xì)繩系在小車上并跨過定滑輪,此時(shí)要調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細(xì)繩與木板平行。5.將小車放在靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處,掛上槽碼,接通電源,放開小車得到一條打好點(diǎn)的紙帶(注意不要讓小車撞到定滑輪,打好點(diǎn)的紙帶要標(biāo)明條件m=?,m′=?)。
6.保持小車的質(zhì)量不變,改變槽碼的個(gè)數(shù),按上面步驟再做幾次實(shí)驗(yàn)。7.在每條紙帶上都要選取一段比較理想的部分,算出每條紙帶加速度的值并記錄在表格中。
9.用縱坐標(biāo)表示加速度a,橫坐標(biāo)表示拉力F,即槽碼重力m′g,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描出相應(yīng)的點(diǎn)并作圖線。
8.保持槽碼質(zhì)量不變,在小車上放砝碼改變小車的質(zhì)量,重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn)。把各次實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)填入表格內(nèi)。
四、數(shù)據(jù)處理1.加速度的測量方法一:在小車上安裝一條打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶,根據(jù)紙帶上打出的點(diǎn)由逐差法求加速度,即Δx=aT2。
2.以a為縱坐標(biāo),F為橫坐標(biāo),根據(jù)各組數(shù)據(jù)描點(diǎn)、連線,如果這些點(diǎn)在一條過原點(diǎn)的直線上,說明a與F成正比,如圖甲所示。
六、注意事項(xiàng)1.補(bǔ)償阻力:補(bǔ)償阻力時(shí)不要掛槽碼,應(yīng)連著紙帶且通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔,將長木板傾斜一定角度,此時(shí)小車在斜面上受到的合力為零。補(bǔ)償了阻力之后,不管以后是改變槽碼的個(gè)數(shù),還是改變小車的質(zhì)量,都不需要重新補(bǔ)償阻力。2.實(shí)驗(yàn)控制條件:必須滿足小車和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于槽碼的總質(zhì)量。只有如此,槽碼的總重力才可視為與小車受到的拉力相等。
3.小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器且先接通電源再放手。4.作圖像時(shí),要使盡可能多的點(diǎn)落在所作直線上,不在直線上的點(diǎn)應(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè),離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)該舍去不予考慮。
類型一　實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)操作[典例1] (2022·金華期末)如圖所示為“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置。(1)實(shí)驗(yàn)可能用到的兩種打點(diǎn)計(jì)時(shí)器構(gòu)造如圖所示,以下說法正確的是　　　　。(多選)?A.圖甲是電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,圖乙是電火花計(jì)時(shí)器B.圖甲使用的電源是交流220 V,圖乙使用的電源是直流8 V左右C.電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和電火花計(jì)時(shí)器在本實(shí)驗(yàn)中的作用是相同的D.利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可以直接測量計(jì)數(shù)點(diǎn)的瞬時(shí)速度。
解析:(1)圖甲是電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,圖乙是電火花計(jì)時(shí)器,故A正確;電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源是交流8 V左右,電火花計(jì)時(shí)器的電源是交流220 V,故B錯(cuò)誤;電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和電火花計(jì)時(shí)器在本實(shí)驗(yàn)中的作用是相同的,都是用來計(jì)時(shí)的儀器,故C正確;利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可以直接測量計(jì)數(shù)點(diǎn)間的位移,但不能直接測出速度,需要利用公式計(jì)算,故D錯(cuò)誤。
[典例1] (2022·金華期末)如圖所示為“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)裝置。
(2)某次實(shí)驗(yàn)過程中,打出了一條紙帶,打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的時(shí)間間隔為0.02 s,從比較清晰的點(diǎn)起,每5個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn),量出相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的距離,如圖丙所示。該小車的加速度a=　　　 m/s2。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)?
(3)關(guān)于補(bǔ)償阻力的說法正確的是　　　　。(多選)?A.“補(bǔ)償阻力”的本質(zhì)就是讓小車受到的摩擦力為零B.“補(bǔ)償阻力”的本質(zhì)就是使小車所受重力沿斜面向下的分力與所受到的阻力平衡C.只要“補(bǔ)償阻力”,小車所受的合力就一定等于所掛槽碼的重力D.“補(bǔ)償阻力”是否成功,可根據(jù)實(shí)驗(yàn)正確操作后,紙帶上的點(diǎn)跡間距是否均勻而確定
解析:(3)實(shí)驗(yàn)中“補(bǔ)償阻力”的本質(zhì)就是使小車所受重力沿斜面向下的分力與所受到的阻力平衡,且“補(bǔ)償阻力”是否成功,可根據(jù)實(shí)驗(yàn)正確操作后,紙帶上的點(diǎn)跡間距是否均勻而確定,故B、D正確,A錯(cuò)誤;“補(bǔ)償阻力”后,只有小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于槽碼的質(zhì)量,才能認(rèn)為小車所受的合力等于所掛槽碼的重力,故C錯(cuò)誤。
類型二　數(shù)據(jù)處理與誤差分析[典例2] 在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中,某實(shí)驗(yàn)小組將實(shí)驗(yàn)器材組裝后,如圖所示為釋放小車前瞬間的情境。(圖甲為實(shí)際拍攝圖,圖乙為相應(yīng)的簡圖)
(1)在接通電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前,請你指出圖中的錯(cuò)誤或不妥之處(寫出兩處即可):①　　　　　　　　　　;②　　　　　　　　　　。?
解析:(1)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的是低壓交流電源,而不是直流電源;接通電源前,小車應(yīng)緊靠打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,而在題圖中小車初始位置離打點(diǎn)計(jì)時(shí)器太遠(yuǎn);另外該實(shí)驗(yàn)需要平衡摩擦力,使得小車所受合力等于細(xì)繩的拉力。
答案:(1)①電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器未使用約為8 V的低壓交流電源;②小車未靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器;③沒有平衡摩擦力(寫出兩處即可)
[典例2] 在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中,某實(shí)驗(yàn)小組將實(shí)驗(yàn)器材組裝后,如圖所示為釋放小車前瞬間的情境。(圖甲為實(shí)際拍攝圖,圖乙為相應(yīng)的簡圖)
(2)改正實(shí)驗(yàn)裝置后,該組同學(xué)順利地完成了實(shí)驗(yàn)。同組的四位同學(xué)利用同一條紙帶求小車運(yùn)動(dòng)的加速度,分別作出了如圖丙所示的四幅圖像,其中最規(guī)范的是　　　　。?
解析:(2)描繪圖像時(shí)取坐標(biāo)單位不能隨意,要使得大部分點(diǎn)落在整個(gè)坐標(biāo)區(qū)域中,故A、D錯(cuò)誤;描完點(diǎn)后,先大致地判斷這些點(diǎn)是不是在一直線上,然后畫一直線,讓這些點(diǎn)均勻地分布在這條直線的兩側(cè),故B錯(cuò)誤,C正確。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法——圖像法、“化曲為直”法(1)研究加速度a和力F的關(guān)系。以加速度a為縱坐標(biāo),力F為橫坐標(biāo),根據(jù)測量數(shù)據(jù)描點(diǎn),然后作出圖像,如圖甲所示,若圖像是一條通過原點(diǎn)的直線,就能說明a與F成正比。
類型三　實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新與拓展[典例3] 在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中。(1)若采用如圖甲、乙所示的實(shí)驗(yàn)裝置與方案,通過黑板擦控制兩小車的起動(dòng)與停止,將測量兩車的加速度轉(zhuǎn)換為測量兩車的位移。實(shí)驗(yàn)中不需要測量的物理量是　　　　(填字母代號)。?A.小車運(yùn)動(dòng)的時(shí)間B.小車通過的位移C.盤和盤中重物的總質(zhì)量D.車和車上重物的總質(zhì)量
[典例3] 在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中。(2)在用DIS“研究小車加速度與力的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時(shí),所用實(shí)驗(yàn)裝置如圖丙所示,重物通過細(xì)線跨過滑輪拉相同質(zhì)量小車,用位移傳感器測定位移,用力傳感器測得拉力F,改變重物的質(zhì)量重復(fù)實(shí)驗(yàn)多次,記錄多組數(shù)據(jù),并畫出a-F圖像。①該實(shí)驗(yàn)中,是否需要滿足小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于重物的質(zhì)量?　　　　(選填“是”或“否”)。?
解析:(2)①在該實(shí)驗(yàn)中,直接用力傳感器測得拉力F,隨著重物的質(zhì)量增大,拉力F測量是準(zhǔn)確的,故不需要滿足小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于重物的質(zhì)量。

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