《探究加速度与物体质量、物体受力的关系》实验分析

《探究加速度与物体质量、物体受力的关系》实验分析

《探究加速度与物体质量、物体受力的关系》实验是高考物理实验考查的重点和热点，该实验可从设计实验方法、实验步骤、图象法处理实验数据、误差分析等角度设置问题，考查学生的综合实验能力，下面就本实验做简要分析。

（一）基础知识梳理

1.实验目的：（1）学会用控制变量法研究物理规律；

（2）探究加速度与物体质量、物体受力的关系；

（3）掌握运用图象处理问题的方法．

2.实验原理

探究加速度a与力F、质量M的关系时，应用的基本方法是_控制变量法__，即先控制一个参量——小车的质量M不变，讨论加速度a与力F的关系；再控制小盘和砝码的质量不变，即力F不变，改变小车质量M，讨论加速度a与质量M

的关系．

3．实验器材：打点计时器、纸带、复写纸（电火花计

时器不用此器材）、小车、一端附有定滑轮的长木

板、小盘、夹子、细绳、交流电源、导线、天平、刻

度尺、砝码、薄木块．

5．实验步骤：

①用天平测量小盘质量m′和小车质量m；

②按照实验装置图把实验器材安装好，但不要把悬挂小盘的细绳系在小车上（即不给小车牵引力）；

③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，使小车匀速下滑；

④小盘通过细绳绕过滑轮系于小车上，先接通电源后放开小车，取下纸带编号码；

⑤保持小车质量m不变，改变砝码和小盘的质量m′，重复步骤④；

⑥在每条纸带上选取一段比较理想的部分，测加速度a；

⑦描点作图，作a – F 图像；

⑧保持砝码和小盘质量m′不变，改变小车质量m，重复步骤④和⑥；作a–m-1图像．6．实验结论：物体的加速度与合外力成正比，与质量成反比．

7．误差分析：①因实验原理不完善引起的误差：本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力．②摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行等都会引起误差．

8．注意事项：①实验方法：控制变量法．②平衡摩擦力：在平衡摩擦力时，不要悬挂小盘，但小车应连着纸带且接通电源．用手给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点的间隔是均匀的，表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡．③不重复平衡摩擦力：平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改变小车和砝码的总质量，都不需要重新平衡摩擦力．④实验条件：m >> m′，只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力．⑤一先一后一按：改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，后放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车．⑥作图：作图时两轴标度比例要适当．各量须采用国际单位．这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些．

（二）测量方法梳理

一、如何测量小车的加速度

1．纸带分析方法

(1)利用Δs =aT 2，并采用“逐差法”求加速度

(2)用“图像法”求加速度。

2．对比分析法

实验装置如下图所示，在两条高低不同的导轨上放置两量小车，车的一端连接细绳，细绳的另一端跨过定滑轮挂一个小桶；车的另一端通过细线连接到一个卡口上，它可以同时释放两辆小车。辆车从静止开始做匀加速直线运动，相等时间内通过对位移与它们的加速度成正比，因此实验中不必计算出加速度，可以采用比较位移的方法，比较加速度的大小。 例如：(2011·天星调研卷)如图10所示为某同学探究加速度与力和质量关系的实验装置，两个相同质量的小车放在光滑水平板上，前端各系一条细绳，绳的一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘中可放砝码．两小车后端各系一条细绳，一起被夹子夹着使小车静止．打开夹子，两小车同时开始运动；关上夹子，两小车同时停下来，用刻度尺测出两小车的位移，下表是该同学在几次实验中记录的数据． 实验

次数

车号 小车质 量(g) 小盘质 量(g) 车中砝码 质量(g) 盘中砝码 质量(g) 小车位 移(cm ) 1

甲 50 10 0 0 15 乙 50 10 0 10 30 2 甲 50 10 0 10 27.5

乙 50 10 50 10 14

3 甲 50 10 0 0 18 乙 50 10 10 10

(1)在每一次实验中，甲、乙两车的位移之比等于______之比，请简要说明实验原理 ________________________________________________________________________；

(2)第一次实验是控制了____________不变的，在实验误差范围内可得出结论是： ________________________________________________________________________；

(3)第二次实验是控制了____________不变的，在实验误差范围内可得出结论是： ________________________________________________________________________；

(4)第三次实验时，该同学先测量了甲车的位移，再根据前两次实验结论，计算出乙车应该发生的位移，然后再测量了乙车的位移，结果他高兴地发现，理论的预言与实际符合得相当好．请问，他计算出的乙车位移应该是________________．

答案：(1)加速度 x 1∶x 2＝a 1∶a 2 (2)小车质量 小车加速度与合外力成正比

(3)小车所受合外力 小车加速度与质量成反比 (4)30 cm

解析：(1)甲、乙两车的位移之比等于加速度之比，由于两车运动时间相同，由x ＝12

at 2得x 1∶x 2＝a 1∶a 2；

(2)第一次实验中控制小车质量相同，小车加速度与合外力成正比；

(3)第二次小车所受合外力不变，小车加速度与质量成反比；

(4)a 甲a 乙＝F 甲/m 甲F 乙/m 乙＝35

，x 甲∶x 乙＝a 甲∶a 乙＝3∶5，得x 乙＝30 cm. 3．光电门计时法

实验装置如下图所示，研究气垫导轨上滑块的加速度，滑块上安装了宽度为L 的挡光片，如图，滑块在牵引力作用下，先后通过两个光电门，配套的数字计时器记录了通过第一个光电门的时间t 1，通过第二个光电门的时间t 2，则