专题8 实验专题讲义 高一上学期物理人教版(2019)必修第一册

必修一专题8 实验专题
【实验：探究两个互成角度的力的合成规律】
一、实验目的
1.练习用作图法求两个力的合力。

2．验证互成角度的两个力合成的平行四边形定则。

二、实验原理
1.若用一个力F′或两个力F1和F2共同作用都能把橡皮条沿某一方向拉至相同长度，即力F′与F1、F2的共同作用效果相同，那么F′为F1、F2的合力。

2．用弹簧测力计分别测出F′和F1、F2的大小，并记下它们的方向，作出F′和F1、F2的图示，以F1、F2的图示为邻边作平行四边形，其所夹的对角线即为用平行四边形定则求得的F1、F2的合力F。

3．比较F′与F，若它们的长度和方向在误差允许的范围内相等，则可以证明平行四边形定则的正确性。

三、实验器材
方木板、白纸、弹簧测力计(两只)、橡皮条、细绳套、三角板、刻度尺、图钉(若干)。

四、实验步骤
1.用图钉把白纸钉在水平桌面上的方木板上。

2．用图钉把橡皮条的一端固定在A点，橡皮条的另一端拴上两个细绳套。

3．用两只弹簧测力计分别钩住细绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长到某一位置O，如图所示，记录两弹簧测力计的读数，用铅笔描下O点的位置及此时两细绳套的方向。

4．用铅笔和刻度尺从结点O沿两细绳套方向画直线，按选定的标度作出这两只弹簧测力计的读数F1和F2的图示，并以F1和F2为邻边用刻度尺作平行四边形，过O点画平行四边形的对角线，此对角线即为合力F的图示。

5．只用一只弹簧测力计通过细绳套把橡皮条的结点拉到同样的位置O，记下弹簧测力计的读数和细绳的方向，用刻度尺从O点按同样的标度沿记录的方向作出这只弹簧测力计的拉力F′的图示。

6．比较力F′与平行四边形定则求出的合力F大小和方向是否相同。

7．改变两个力F1与F2的大小和夹角，再重复实验两次。

五、误差分析
1.误差来源
除弹簧测力计本身的误差外，还有读数误差、作图误差等。

2.减小误差的办法
(1)实验过程中读数时眼睛一定要正视弹簧测力计的刻度，要按有效数字和弹簧测力计的精度正确读数和记录。

(2)作图时用刻度尺借助于三角板，使表示两力的对边一定要平行。

(3)因两个分力F1、F2间的夹角θ越大，用平行四边形定则作出的合力F的误差ΔF就越大，所以，实验中不要把θ取得太大，但也不宜太小，以60°～120°之间为宜。

1.用弹簧测力计寻找合力与分力等效替代的实验过程中，
(1)先通过细绳用两个弹簧测力计拉橡皮条，使其结点拉到某一位置，记录：结点位置O、两弹簧测力计读数大小和________；然后改用一个弹簧测力计拉橡皮条，使其结点拉到________后，再记录下该弹簧测力计的读数和细绳方向。

(2)如图是甲、乙两位同学在做本实验时分别得到的两幅图，其中F是用平行四边形定则作图得到的合力，F′是通过实验测得的合力，则哪幅图是符合实验事实的？________(选填“甲”或“乙”)
2.某同学做“验证力的平行四边形定则”的实验如图1甲所示，其中A为固定橡皮条的图钉，O为橡皮条与细绳的结点，OB和OC为细绳。

图乙是在白纸上根据实验结果画出的图。

(1)如果没有操作失误，图乙中的F与F′两力中，方向一定沿AO方向的是________。

(2)本实验采用的科学方法是________。

A.理想实验法
B.等效替代法
C.控制变量法
D.建立物理模型法
(3)实验时，主要的步骤是：
A.在桌上放一块方木板，在方木板上铺一张白纸，用图钉把白纸钉在方木板上；
B.用图钉把橡皮条的一端固定在板上的A点，在橡皮条的另一端拴上两条细绳，细绳的另一端系着绳套；
C.用两个弹簧测力计分别钩住绳套，互成角度地拉橡皮条，使橡皮条伸长，结点到达某一位置O，记录下O点的位置，读出两个弹簧测力计的示数；
D.按选好的标度，用铅笔和刻度尺作出两只弹簧测力计的拉力F1和F2的图示，并用平行四边形定则求出合力F；
E.只用一只弹簧测力计，通过细绳套拉橡皮条使其伸长，读出弹簧测力计的示数，记下细绳的方向，按同一标度作出这个力F′的图示；
F.比较F′和F的大小和方向，看它们是否相同，得出结论。

上述步骤中，①有重要遗漏的步骤的序号是________和________；
②遗漏的内容分别是____________________和______________________________。

3.在做“验证力的平行四边形定则”实验时：
(1)除已有的器材：方木板、白纸、弹簧测力计、细绳套、刻度尺、图钉和铅笔外，还必须有________和_______________________。

(2)要使每次合力与分力产生相同的效果，必须( )
A．每次把橡皮条拉到同样的位置 B．每次把橡皮条拉直
C．每次准确读出弹簧测力计的示数 D．每次记准细绳的方向
(3)某同学的实验结果如图所示，其中A为固定橡皮条的图钉，O为橡皮条与绳套
结点的位置。

图中________是力F1与F2的合力的理论值，________是力F1与F2的
合力的实际值。

【实验：探究加速度与力、质量的关系】
一．实验原理
加速度是描述物体运动状态变化快慢的物理量,力是改变物体运动状态的原因,质量大的物体运动状态不容易改变。

这说明,加速度与力、质量之间必然存在一定的关系。

本实验分别从“加速度与力的关系”和“加速度与质量的关系”两方面进行探究。

探究方法: 控制变量法。

(1)探究加速度与力的关系:保持小车的质量不变,改变小盘中槽码的质量(即改变拉力),测出小车运动所对应的加速度,分析加速度与力的关系。

(2)探究加速度与质量的关系:保持小盘中槽码的质量变(即保持拉力不变),改变小车上砝码的质量(即改变小车的质量),测出不同质量的小车对应的加速度,分析加速度与质量的关系。

二．实验步骤
1.测量质量:用天平测出 小车 和重物(小盘和小盘中的槽码)的质量分别为M 、m,并把数据记录下来。

2.安装器材:按上图将实验器材安装好(小车上不系细线)。

3.平衡摩擦力:在长木板无滑轮的一端下面垫一薄木板,调节薄木板的位置,直到小车 匀速 下滑。

（让小车受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡近似于无摩擦状态，使小车所受的合外力等于细线的拉力）
4.具体操作
(1)将挂有小盘的细线跨过定滑轮系于小车上,接通电源后放开小车打出纸带,取下纸带并在纸带上标上号码以及此时重物的重力mg(重物的质量要远 小于 小车的总质量,此时可认为小车所受拉力F 等于重物的重力mg )。

(2)保持小车质量M 不变,往小盘上加槽码,即改变重物的总质量m,重复步骤(1)。

多做几次实验,每次小车从同一位置释放,并记录好重物的重力m 1g 、m 2g 、m 3g …。

(3)保持重物的质量m 不变,往小车上加砝码,改变小车的质量M,重复步骤(1)。

多做几次实验,每次小车从同一位置释放,并记录好加在小车上的砝码和小车的总重力M 1g 、M 2g 、M 3g …。

(4)计算出每次实验小车的 加速度 的大小。

三．实验处理
1.计算法
2.图像法
(1)保持小车质量不变,探究加速度与力的关系。

以加速度a 为纵坐标,以力F 为横坐标,根据测量数据描点,然后作出图像,如图甲所
示,若a-F 图像是一条通过原点的倾斜直线,则可得出结论:在误差允许的范围内,质量M 不变时,加速度a 与力F 成 正比 。

(2)保持力不变,探究加速度与质量的关系。

以加速度a 为纵坐标,以质量M 为横坐标,作出图像,如图乙所示,由于a-M 图像为曲线,判断a 与M 是否成反比关系较难,若a 与M 成反比,则a
与M 1必成正比,我们采用“化曲为直”的方法,以加速度a 为纵坐标,以M 1
为横坐标,作出图像,如图丙所示,若a-M 1图像是一条通过原点的
倾斜直线,则可得出结论:在误差允许的范围内,力F 不变时,加速度a 与质量M 成 反比 。

四．实验误差
“探究加速度与力、质量的关系”实验得到的理想a-F 图像应是一条过原点的直线,但由于实验误差影响,常出现如图所示的三种情况:
(1)图线①的上部发生了弯曲,是因为当小车所受拉力F 较大时,不满足“重物的质
量远小于小车的总质量”的条件。

(2)图线②与a 轴有交点,说明拉力F=0(不挂重物)时,小车就具有了加速度,这是平
衡摩擦力时,长木板的倾角过大,导致平衡摩擦力过度造成的。

(3)图线③与F 轴有交点,说明只有当F 增大到某一定值时,小车才获得加速度,这
是
没有平衡摩擦力或长木板的倾角过小,导致平衡摩擦力不足造成的。

1.用如图所示的装置,探究物体的加速度与力、质量的关系,图中小车的质量用M表示,钩码的质量用m表示。

要顺利完成该实验,在操作中:
(1)平衡摩擦力的目的是:_________________________________________________。

(2)使M远大于m的目的是:_________________________________________________。

(3)如图是某次实验打出的某一条纸带,A、B、C、D、E为相邻的5个计数点,相邻计数点间还有四个点未标出,所用交流电源频率为50赫兹。

利用图中给出的数据可求出小车的加速度a=__________m/s2。

(结果保留两位有效数字)
2.某实验小组利用图甲所示的装置探究加速度与力、质量的关系。

(1)为使砝码和砝码盘的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的细线拉力,应满足的条件是砝码和砝码盘的总质量_______(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)小车的质量。

(2)为了平衡摩擦力,应将长木板_______(选填“左”或“右”)端适当垫高,使之与水平方向成一定的角度θ;保持小车质量不变,若测得小车的加速度a与拉力F的关系如图乙所示,这是倾角θ_______(选填“偏大”或“偏小”)造成的。

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,用钩码所受的重力大小作为小车受到的合力大小,用电火花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。

甲乙
(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。

已知电火花打点计时器接在频率为50 Hz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。

此图像的AB段明显偏离直线,造成此现象的主要原因可能是_______。

(选填下列选项的序号)
A.小车与平面轨道之间存在摩擦力
B.平面轨道倾斜角度过大
C.所挂钩码的总质量过大
D.小车的质量过大丙
4.如图所示是“探究加速度与力、质量的关系”实验装置:
(1)下图是实验时平衡阻力的情形,其中正确的是_______(选填字母)。

(2)在平衡阻力后,当小车总质量___________(填“远大于”“远小于”或“近似等于”)小盘及盘内物体的总质量时,小车运动时所受的拉力大小近似等于小盘及盘内物体的总重力大小。

实验时可通过增减小盘中___________(选填“50 g钩码”或“1 g砝码”)的个数来改变拉力的大小。

五．实验创新
5.“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图甲所示。

小车后面固定一条纸带,穿过电火花打点计时器,细线一端连着小车,另一端通过光滑的定滑轮和动滑轮与挂在竖直面内的拉力传感器相连,拉力传感器用于测小车受到的拉力的大小。

甲乙
(1)关于平衡摩擦力,下列说法正确的是_________。

A.平衡摩擦力时,需要在动滑轮上挂上钩码
B.改变小车质量时,需要重新平衡摩擦力
C.改变小车拉力时,不需要重新平衡摩擦力
(2)实验中_________(选填“需要”或“不需要”)满足所挂钩码质量远小于小车质量。

(3)某同学根据实验数据作出了加速度a与力F的关系图像如图乙所示,图线不过原点的原因是_________。

A.钩码质量没有远小于小车质量
B.平衡摩擦力时木板倾角过大
C.平衡摩擦力时木板倾角过小或未平衡摩擦力
6.某实验小组在“探究加速度与物体的质量、受力的关系”实验中,设计出如下的实验方案,实验装置如图所示。

已知小车质量M=261 g,打点计时器所使用的交流电频率f=50 Hz。

其实验步骤是:
A.按实验装置图安装好实验装置;
B.利用垫块调节长木板的倾角,轻推小车后,使小车(与纸带、细绳和砝码盘相连)能沿长木板向下做匀速运动;
C.取下细绳和砝码盘,记下砝码盘中砝码的质量m;
D.将小车置于打点计时器旁(小车与纸带相连,但与细绳和砝码盘不相连),先接通电源,再放开小车,打出一条纸带,由纸带求得小车的加速度a;
E.重新挂上细绳和砝码盘,改变砝码盘中砝码质量,重复A、B、C、D步骤,求得小车在不同合外力F作用下的加速度。

回答以下问题:
(1)按上述方案做实验,是否要求砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量?________(填“是”或“否”)。

(2)实验中打出的其中一条纸带如图所示,每隔4个点取一个计数点,由该纸带可求得小车的加速度a=________m/s2(结果保留三位有效数字)。