“探究加速度与力、质量的关系”的几种方案

2019-07-08山东

教学考试(高考物理) 2019年3期

山东

“探究加速度与力、质量的关系”是中学物理最基本、最重要的探究性实验之一，该实验的研究方法(控制变量法)、数据处理方法(图象法)、误差控制(平衡法)等，对学生的思维分析能力和实验操作能力提出了较高的要求，因此本实验也成为高考中出现次数最为频繁的实验之一。

一、基于教材的基本实验方案

【例1】用如图1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，用钩码所受的重力作为小车受到的合力，用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。

图1

(1)实验时先不挂钩码，反复调整垫块的左右位置，直到小车做匀速直线运动，这样做的目的是_________________________。

(2)图2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点间的距离，如图所示。已知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测量值a=________m/s2。(结果保留两位有效数字)

图2

(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关系图象，如图3所示。此图象的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)

图3

A.小车与平面轨道之间存在摩擦

B.平面轨道倾斜角度过大

C.所挂钩码的总质量过大

D.所用小车的质量过大

【答案】(1)平衡小车运动中所受的摩擦阻力 (2)1.0

(3)C

【分析】设小车运动时绳子中的拉力为FT，小车受的摩擦力为Ff，则受的合力为F=FT-Ff，但由于实验条件的限制，没法测出小车受的摩擦力，因此要平衡摩擦力，以使F=FT。

由以上分析可知，本实验必需满足的两个条件，一是要平衡摩擦力，二是使小车的总质量远大于钩码的总质量。

【解析】(1)使平面轨道的右端垫起，让小车重力沿斜面方向的分力与它受到的摩擦力平衡，才能认为在实验中小车所受的合外力等于细绳的拉力，所以这样做的目的是平衡小车运动中所受的摩擦力。

(2)由逐差法可知

二、减小系统误差的实验探究方案

1.研究对象的总质量不必远大于牵引物体的总质量

【例2】用如图4所示的装置“探究加速度与力和质量的关系”，带滑轮的长木板水平固定，跨过小车上定滑轮的两根细线均处于水平。

图4

(1)实验时，一定要进行的操作是________。(填步骤序号)

A.小车靠近打点计时器，先接通电源，再释放小车，打出一条纸带，同时记录拉力传感器的示数F

B.改变砂和砂桶质量，打出几条纸带

C.用天平测出砂和砂桶的质量

D.为减小误差，实验中一定要保证砂和砂桶的总质量远小于小车的质量

(2)以拉力传感器示数F为横坐标，以加速度a为纵坐标，画出的a-F图象如图5所示，则可能正确的是________。

【答案】(1)AB (2)C

【分析】本实验装置应先平衡摩擦力，以使小车受的合力等于细绳的拉力。因拉力传感器可直接测出细绳中的拉力大小，故实验时没有必要使小车的总质量远大于砂和砂桶的总质量。

【解析】(1)打点计时器运用时，都是先接通电源待打点稳定后再释放纸带，该实验探究加速度与力和质量的关系，要记录弹簧测力计的示数，选项A正确；改变砂和砂桶质量即改变拉力的大小，打出几条纸带，研究加速度随F变化关系，选项B正确；本题拉力可以由弹簧测力计测出，不需要用天平测出砂和砂桶的质量，也就不需要使小桶(包括砂)的总质量远小于车的质量，选项CD错误。

【点评】对于此题，如果不仔细分析物理概念的形成并且用正确的科学思维去思考，在缺少适当的实验探究情况下，学生很可能认为砂和砂桶的总质量要远小于拉小车的质量。本题重点在于拉力传感器的应用。求解此类问题，需要运用科学探究推理的方法将它们转化成模式化的问题。

2.不需要平衡摩擦力

【例3】某同学设计了如图6所示的装置来探究加速度与力的关系，弹簧测力计固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧测力计的挂钩和矿泉水瓶连接，在桌面上画出两条平行线MN、PQ，并测出间距d。开始时将木板置于MN处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始离开运动位置，记下弹簧测力计的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小。将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧测力计的示数F1，然后释放木板，并用停表记下木板运动到PQ的时间t。

图6

(1)木板的加速度可以用d、t表示为a=________；为了减小测量加速度的偶然误差，可以采用的方法是_____________________________________________________________________________________。

(2)改变瓶中水的质量，重复实验，确定加速度a与弹簧测力计示数F1的关系，下列如图7所示的图象能表示该同学实验结果的是

( )

(3)用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比，它的优点是________。

A.可以改变滑动摩擦力的大小

B.可以更方便地获取多组实验数据

C.可以比较精确地测出摩擦力的大小

D.可以获得更大的加速度以提高实验精度

【分析】根据题意，木板运动时受的摩擦力为F0，因此木板的合外力F=FT-F0，当木板的总质量远大于瓶及水的总质量时，FT≈F1；当木板的总质量不远大于瓶及水的总质量时，FT≠F1，a-F1图象将发生弯曲。

(3)缓慢向瓶中加水，可以更方便地获取多组实验数据。缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动，可以比较精确地测出摩擦力的大小，选项BC正确。

【点评】本实验方案克服了不能准确测量摩擦力的缺点，避免了因不能准确平衡摩擦力而带来的实验误差。用加水的方式来改变拉力的大小，可更加方便地获取多组数据。解决本题的关键是要知道实验的原理以及实验需注意的事项，知道减小偶然误差的方法，难度不大。

三、以系统为研究对象的实验探究方案

【例4】“探究加速度与质量、力的关系”的实验装置如图8所示。(g取10 m/s2，计算结果保留两位有效数字)

图8

(1)平衡摩擦力后，用细线跨过定滑轮，将砝码盘与小车连接，再将5个相同的砝码都放在小车上，然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中，测量小车的加速度，此过程是通过控制________不变，探究加速度与________的关系；

(2)实验中小车的总质量________(填“需要”或“不需要”)远大于砝码及砝码盘的总质量；

(3)根据小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据作出a-F的关系图象如图9所示，并据此图象确定砝码盘的质量为________g。

图9

【答案】(1)整体的质量合外力 (2)不需要 (3)8.0

【解析】(1)此过程是通过控制整体的质量不变，探究加速度与物体所受的合外力的关系。

【点评】如果学生直接从思维定式中提取已有的物理概念，那么会有很大一部分同学认为小车的总质量要远大于砝码及砝码盘的总质量。本题有很大的迷惑性，因小车的总质量、砝码盘及砝码的总质量都在变化。表面上看，实验时没有控制小车受的拉力不变或者小车的总质量不变，但转化一下思路，实验中整体的总质量是不变的，因此本题探究的是系统质量一定时，加速度与力的关系。系统受到的合外力就等于砝码及砝码盘的总重力，也就没有必要使小车的总质量远大于砝码及砝码盘的总质量了。