实验探究加速度与力、质量的关系.doc

实验探究加速度与力、质量的关系同学们：下面的系列思考题，会将你引入到科学探究的正确道路上，使你领悟到科学思维的乐趣，真正掌握物理学的方法和知识。【系列思考题】1、关于运动和力的关系，牛顿第一定律给予的昭示是什么？参考思路：维持物体运动状态的原因是惯性，力是改变物体运动状态产生加速度的原因，在物体运动状态发生变化的过程中惯性表现为反抗运动状态的改变，因此，牛顿第一定律昭示了物体的加速度与物体受到的合外力、量度惯性的质量之间存在着内在联系。2、举出几个事例，定性的说明物体的加速度和物体质量以及物体受到的合外力之间的关系。参考思路：比较相同的卡车在空载和负载时获得相同的速度用的时间；比较质量差不多相等而发动机功率明显不同的两个机动车辆获得相同的速度所用的时间 。3、用实验探究多个物理量之间的关系时，采用什么方法可以降低探究的难度，方便地得出物理量之间的关系？参考思路： 采用控制变量法，让一个物理量不发生变化，探究另外两个量之间的关系。4、在探究两个变量之间的具体数量关系时，处理数据获得结论的方法有哪些？哪种方法最好？好在何处？参考思路：图象探究法和数据分析法。图象探究法就是以两个变量为坐标，作出一个量随另一个量变化的图线。这种探究法的好处是能够直观地发现变化规律，或者为猜测两个量之间的函数关系提供直感、依据。5、做出一个物理量随着另一个物理量变化的图象后，最容易确定这两个物理量之间关系的图线是直线还是曲线？为什么？参考思路：直线。因为由直线上的两个点便可以确定两个变量之间的函数关系。6、物理图象是曲线时，将其转化为直线的方法是什么？参考思路：猜测变量之间的关系坐标转换反复实验。与已知的函数图象进行比较，是实现转化的关键。7、用实验探究运动物体的加速度与物体的质量、物体受到的合外力三者之间的关系时，用恒力好还是用变力好？为什么？参考思路：用恒力好。因为恒力产生恒定的加速度便于加速度的测量。8、用打点计时器打出的纸带进行探究时，运动物体受到的已知恒力如何获得？参考思路：用小车在微斜平面上的下滑力平衡掉小车运动过程中的阻力，小车上所挂砝码和砝码盘的重力就认为是小车受到的合外力。9、你认为同样大小的力作用在运动速度不同的物体上产生的加速度相同吗？你能进行理性的分析或者借助已知实验事例说明吗？参考思路：相同，从理性上说在不同的惯性参考系观察力的作用效果是一样的，从事实看自由落体的加速度在不同速度时的测量值是相等的。10、测定物体加速度的方法有那些？参考思路：用打点计时器打出的纸带计算加速度；用闪光照相测量；用光电计时器测量；用初速度为零的匀加速直线运动测定时间和位移计算加速度等。【实验探究方案一】使用电磁打点计时器打出的纸带，测出运动物体的加速度，然后作出加速度与力、加速度与物体的质量之间关系图象进行探究。实验器材：一端带有定滑轮的长木板、小车、细线、砝码、砝码盘、电磁打点计时器、低压交流电源、导线、纸带、天平、刻度尺等。器材安装：（1）长木板带有滑轮的一端伸出桌边，将电磁打点计时器固定在长木板的另一端并将打点计时器与低压交流电源相接。（2）把小车放在长木板上，将长木板不带滑轮的一端用木块垫起，轻轻推动小车，使小车能在木板上拖动纸带匀速运动。（3）将小车后面的纸带穿过打点计时器的限位孔，并将小车靠近打点计时器，然后用细线通过滑轮将小车与盛有砝码的砝码盘相连，使细线与木版保持平行。问题思考：为什么要将长木板不带滑轮的一端用木块垫起，其目的是什么？为什么要使小车做匀速运动？如何判断小车是否做匀速运动？参考思路：将长木板不带滑轮的一端用木块垫起，其目的是用小车在微斜平面上的下滑力平衡掉小车运动过程中的阻力，使小车做匀速运动，这样小车上所挂砝码和砝码盘的重力就认为是小车受到的合外力。判断小车是否做匀速运动的方法是看打出的纸带的点间隔是否均匀，若均匀则表示小车做匀速运动。实验步骤：（1）用天平分别测出作为研究对象的小车和砝码盘的质量，记入事先设计好的表格中。（2）将砝码盘中放入适量的砝码，使砝码和砝码盘的总质量比小车的质量小的多，但也不能太小，将砝码和砝码盘的总质量记入表格中。（3）接通电源后，将小车放手打出一条纸带。（4）改变砝码盘中的砝码的质量，重复上述步骤，打出小车在不同拉力下运动的五条纸带。（5）保持小车所挂砝码的质量不变，向小车中加砝码，改变小车的质量，打出小车在不同质量下的五条纸带，将不同的质量记在纸带上，并记录在表格中。问题思考：1、为什么要将砝码盘中放入适量的砝码，使砝码和砝码盘的总质量比小车的质量小的多，但也不能太小？参考思路：砝码和砝码盘的总重量严格的说不是小车受到的合外力，因为这个总重力不单要使小车产生加速度，而且还要使自身产生加速度。砝码和砝码盘的总质量过大时，以其总重力作为小车受到的合外力误差太大；砝码和砝码盘的总质量过小时，小车的加速度太小，纸带上打出的点子太密，不便于加速度的测量。数据处理：（1）测量并计算：在小车质量一定受到合外力分别为F1、F2、F3、F4、F5的情况下所打出的五条纸带对应的加速度a1 、a2、a3、a4、a5。（2）以a为纵坐标、以F为横坐标建立坐标系，以（a1 F1），（a2 F2）、（a3 F3）（a4 F4）、（a5 F5）为坐标描点，做出加速度随合外力变化的图线。（3）根据图线探究加速度与合外力之间的数量关系。（4）测量并计算：在小车所受到的合外力一定而小车的质量分别为m1、m2、m3、m4、m5的情况下所打出的五条纸带对应的加速度a1 、a2、a3、a4、a5。（5）以a为纵坐标、以m为横坐标建立坐标系，以（a1 m1），（a2 m2）、（a3 m3）（a4 m4）、（a5 m5）为坐标描点，做出加速度随物体质量变化的图线。（6）根据图线探究加速度与物体质量之间的数量关系。如果图线不是一条直线，进行坐标改造，重新描点做图线，力图使曲线转化为直线。【实验方案二】控制变量，对比实验探究加速度与合外力之间的关系。实验器材：两个小车、砝码及砝码盘两套，供两车同时运动的带滑轮的长木板（也可以在平行轨道上的两个小车）。控制两车同时运动同时停止的机构或者夹子、细线等。器材的安装及操作：（1）调节带滑轮的平板，使两个小车能在平板或在平行轨道上做匀速运动。（2）将两个质量相同的小车挂上不同的砝码，静止在平板上远离滑轮的一端相同的起点上。（3）测量并记录两个小车所挂砝码及砝码盘的总质量m1、m2。（4）调节控制机构使两小车同时运动，运动一端较大的距离后同时停止运动，测量此过程两个小车发生的位移x1、x2。（5）在两个小车上放上不相同的砝码,使两个小车的质量分别为M1、M2并记录。（6）将两个小车挂上相同砝码，重复上述实验步骤，记录两个小车的位移X1、X2。结论探究：（1）求出小车质量一定的情况下，所受到的拉力即砝码和盘的总重力之比m1：m2，然后再求出小车发生的位移之比x1：x2，比较这两个比值的大小，探究小车的加速度与合外力的关系。（2）求出小车在受到相同的拉力的情况下，位移之比X1：X2和质量之比M1：M2，进行比较，探究小车的加速度与质量之间的关系。问题思考：为什么两个小车的位移之比等于其加速度之比？这种实验探究方案的优越之处上什么？这种实验探究方案是怎样构思出来的？参考思路：两个小车同时运动同时停止，使用了相同的时间做初速度为零的匀加速直线运动，因此满足，小车的加速度与其位移成正比。这种实验探究方案的优越之处是避免了烦琐的加速度的测量，而位移的测量是方便的。【科学方法和探究结论总结】科学方法：（1）控制变量法：探究多个变量之间的关系时，设法使一个或几个量不发生变化，让一个量随着另一个发生变化的方法。例如保持小车的质量不变，探究加速度随外力的变化。（2）对比实验实现变量的转换，如将两个小车的加速度之比转化为两个小车的位移之比。（3）运用物理图线探究物理规律的方法：力求使物理图象成为一条直线。 具体的说，猜测变量之间的关系坐标转换反复实验使图线成为直线。（4）比例式转化为等式：引入比例系数k，便可以把比例式转化为等式，比例系数的大小由各物理量的单位决定。实验技巧：（1）加速度的不同测量方法：用打点计时器打出的纸带计算加速度；用闪光照相测量；用光电计时器测量；用初速度为零的匀加速直线运动测定时间和位移计算加速度等。（2）物体受到的已知恒力的获得：用小车在微斜平面上的下滑力平衡掉小车运动过程中的阻力，小车上所挂钩码和钩码盘的重力就认为是小车受到的合外力。探究结论：运动物体的加速度，跟物体受到的合外力成正比，跟物体的质量成反比。【问题与练习】1、用打点计时器探究加速度与力、加速度与物体的质量之间关系时需要一个记录实验数据的表格，试设计一个。要求简明条理。2、对某一变速直线运动的物体发生的位移和所用的时间测量结果如下表，试用做图象的方法获得位移与时间的函数关系并说明物体怎样运动。位移x（m）1491625时间t（s）123453、使用电磁打点计时器打出的纸带，探究运动物体的加速度与力之间关系时，作出的两个图象如下图所示，试分析两条直线不过坐标原点的原因是什么？4、如图所示，试说明小车的加速度和物体的加速度之间的关系如何？你能根据探究结果求出小车受到的线的拉力吗？这个拉力在什么情况下与砝码及砝码盘的总重力近似相等？参考答案：1、略。2、直接描出的位移-时间图象，看起来是一条象抛物线的曲线，将时间坐标转化为以时间的平方为横坐标之后再描点，做出的图线成为一条直线。在这条直线上取两点建立出直线的方程为：x=t2 这便是物体运动的位移与时间的函数关系。与匀变速直线运动的位移公式。对照可以知道，物体做初速度零加速度为2m/s2的匀加速直线运动。如图所示。3、有纵截距的直线说明运动的小车在所受拉力为零时已经具有了加速度，由此知道小车不挂钩码时就具有了加速度，这个加速度只能是重力的下滑分量产生，直接原因是平衡摩擦力时木块垫得过高所致。与横轴有交点的直线不过坐标原点的原因是：平衡摩擦力