探究加速度与力

探究加速度与力探究加速度与力 质量的关系实验报告质量的关系实验报告 实验目的 探究加速度与力力 质量质量之间的关系 实验原理 牛顿第一定律告诉我们 力并不是维持物体运动状态的原因 而是改变物体运动状 态的原因 简而言之 物体运动状态的改变体现在速度的改变上 而速度发生变化就表明物体具有 加速度 因此可以说力是使物体产生 或具有 加速度的原因 同是一辆静止的汽车 施加的牵引 力越大 至某一速度所需要的时间越短 由此我们不妨假设加速度与力成一次函数 a kF b 同时 假设 b 0 假设成立与否 还需要用实验探究和验证 同时 物体的质量越大即惯性越大 物体 的运动状态就越难以发生改变 即加速度越小 由此我们不妨假设 a b 1 km 同时假设 b 0 由此 我们现在所要探究的加速度是同时与力 质量有关的 那么又有怎样的关系呢 按照哲学上 的观点 物体运动状态的变化情况是由合外力 外因 和质量 内因 共同决定的 合外力和质量 两个因素统一于影响物体运动状态的改变过程当中 同时又是矛盾的 合外力促使加速度的产生 质量则维持原有状态不变 阻碍加速度的产生 在物理学中我们研究一个物理量同时与两个或多个 物理量 或因素 有关的多元问题的基本方法就是控制变量法 即先保持其他物理量 或因素 不 变 逐步分析所求物理量与其中某一物理量的关系 而后总结出这几个量之间的关系 因此 我们 可以首先固定质量 探究加速度与力之间的关系 而后固定合外力 探究加速度与质量间的关系 最后总结出加速度与合外力 质量的关系 如果 a k1F 成立 反映在 a F 图线上就应该是条过原点的倾斜的直线 如果 a k2m 成立 反映 在 a m 图线上就应该是条双曲线 然而真实地判断该图线是否是双曲线是比较复杂的 不过我们 可以变换角度 将 a 与 m 成反比转化为 a 与 1 m 成正比 即反映在 a 1 m 图线上就是一条过原点 的倾斜的直线 但加速度是不易测量的 因此我们需将其转化为位移 而且我们所探求的主要是 a 与 F m 间的关系 从另一个角度也说明无须求解 a 的实际值 设计实验时使小车做初速度为 0 的 匀加速直线运动 同时将小车放在相同的位置 并同时打开和关闭文件夹使两小车运动的时间相等 由 s at2 2 便可得出 a1 a2 s1 s2 这样就将加速度转化为位移 以后做就好的多了 教材给出了实验装置 但不甚好 一方面严格的光滑水平木板是没有的 普通实验室中的木板大都 相当粗糙 不符合实验要求 另一方面 若往小盘中放砝码 好多同学放置的大都不是比较均匀 然而这样做很容易带来相当大的误差 改进后的实验装置如下图 实验原理图 实验器材 上部有凹槽的小车两个 一端带有定滑轮的长直木板两个 大型文件夹一个 砝码 若干 勾码若干 细线若干 刻度尺一把 为记录小车的加速度 我们可以采用打点纸带 同时为避免小车与定滑轮的碰撞 可以在小车后拴 两条较长的细线 细线的另一端加以固定 本实验方案舍弃砝码盘 而采用勾码 可以保证拉力在 一条直线上 增减勾码即改变了小车受到的拉力 在小车上增减砝码的质量 即改变了小车的质量 为得到近似光滑的长直木板 我们通常采用平衡摩擦力的方法 不加砝码 不系细线 试探着移动 垫木 使放置在斜面上的小车近似做匀速直线运动 此时物体受 G N f 三个力的作用而处于平 衡 合力为 0 得 Gx f 两力的作用效果相互抵消 就相当于 f 不存在 而当小车受到细线的拉 力后 就相当于仅受该拉力的作用 我们判断小车是否近似做匀速直线运动时 可以在长直木板有 刻度尺的一侧 选择相距较远的相等的两段位移 轻推使小车使其具有某一速度 若发生两段位移 所需时间大致相等 就表明小车近似做匀速直线运动 实验步骤 1 平衡摩擦力 2 按照实验将各器材有机组合起来 并检验是否正确 3 保证两小车所挂勾码的质量不变 勾码质量均为 40 0g 按照表格中的数据依次改变小车上 砝码的质量 即保证小车所受合外力不变而改变小车的质量 开启文件夹 两小车同时运动 后关 闭文件夹 两小车同时停止运动 测量两小车各自发生的位移 并记录到表格中 4 保证两小车所置砝码的质量相等 两小车的质量均为 200g 100g 砝码 按照表格中的数 据依次改变小车所挂勾码的质量 即保证小车质量不变而改变小车所受合外力 开启文件夹 两小 车同时运动 后关闭文件夹 两小车同时停止运动 测量两小车各自发生的位移 并记录到表格中 5 拆除实验装置 注意事项 1 调节木板的倾角 用小车所受到的重力的分力来平 衡摩擦力 使小车做匀速直线运动 2 尽量使所挂重物的质量远小于小车的质量 确保拉力和小车的重力相近 实验数据处理 图像的坐标轴 横轴是两车拉力之比 F1 F2 纵轴是两车位移比 s1 s2 如 果 a1 a2 s1 s2 则 F1 F2 s1 s2 描绘 a F 图像 图像的坐标轴 横轴用两车拉力之比 m1 m2 纵轴用两车位移比 s1 s2 如果 a1 a2 m2 m1 则 m2 m1 s1 s2 描绘 a 1 m 图像 s1 s2 k1F1 F2 a1 a2 k1F1 F2 s1 s2 k2m2 m1 a1 a2 k2m2 m1 以上数据及数据处理 结果表明我们的假设是成立的 a k1F M 一定 a k2 m F 一定 所以 a k3 k1F k2 m k1k2k3F m kF m k k1k2k3 此式的物理含义 加速度与合外力 F 成正 比 与质量 m 成反比 实验误差 误差分析 1 质量的测量误差 纸带上打点计时器打点间 隔距离的测量误差 拉线或纸带不与木板平行等都会 造成误差 2 因实验原理不完善造成误差 本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到 的拉力 实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的 总重力 存在系统误差 小盘和砝码的总质量越接近小车的质