- 2021-05-20 发布 |
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文档介绍
【物理】2019届一轮复习人教版高中物理实验方法之控制变量法学案
高中物理实验方法之控制变量法 “探究加速度和力的关系和加速度与质量的关系”实验或者说“验证牛顿定律”实验是典型的“控制变量法”的应用。 一、牛顿第二定律实验 1.实验装置 图1为俯视图,图2为侧视图。 2.实验过程 (1)加速度跟力的关系(控制变量质量不变) 使用两个相同的小车,满足m1=m2;在连小车前的绳端分别挂一个钩码和两个钩码,使F1=2F2.将二小车拉至同一起点处,记下位置.放手后经一段时间使二小车同时停止,满足时间t相同.改变F重复实验, 读出二小车的位移,填入表1: 表1 根据,在相等的情况下,与成正比。从表1可得: 比较可得,在误差允许的范围内,a∝F. (2)加速度跟质量的关系(控制变量力不变) 将小车1上加0.2kg砝码,使m1=2m2;二小车前面绳端都挂一个钩码,使F1=F2.将二小车拉至同一起点处放开经一段时间使其同时停止,读出各小车位移记入表2: 表2 3.定律导出 速度跟作用力成正比,跟物体的质量成反比,即牛顿第二定律的基本关 (2)上式可写为等式F=kma,式中k为比例常数.如果公式中的物理量选择合适的单位,就可以使k=1,则公式更为简单. 在国际单位制中,力的单位是牛顿.牛顿这个单位就是根据牛顿第二定律来定义的:使质量是1kg的物体产生1m/s2的加速度的力为1N,即1N=1kg·m/s2. 可见,如果都用国际单位制中的单位,就可以使k=1,那么公式则简化为F=ma,这就是牛顿第二定律的数学公式. (3)当物体受到几个力的作用时,牛顿第二定律也是正确的,不过这时F代表的是物体所受外力的合力.牛顿第二定律更一般的表述是: 物体的加速度跟所受的外力的合力成正比,跟物体的质量成反比,加速度的方向跟合外力的方向相同. 数学公式是:F合=ma. 3.系统误差分析: 用公式法分析误差 在实验中,小车(质量为)受的拉力实际上不等于钩码的重力(),设为,则有 ,解得 从结果可以看出,小车受的拉力实际上小于钩码的重力(),而钩码的重力()是产生小车和钩码二者的加速度的力,而不是产生小车的加速度的力。 根据公式,得相对误差为,也就是说,小车质量比钩码质量大得越多,相对误差越小,即实验条件是:只有当>>时,才能认为小车受力等于钩码的重力。 题1.“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图甲所示. (1)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中,打出了一条纸带如图乙所示。计时器打点的时间间隔为0.02s.从比较清晰的点起,每5个点取一个计数点,量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度a= m/s2.(结果保留两位有效数字) (2)平衡摩擦力后,将5个相同的砝码都放在小车上.挂上砝码盘,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。小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表: 砝码盘中砝码总重力F(N) 0.196 0.392 0.588 0.784 0.980 加速度a(m·s-2) 0.69 1.18 1.66 2.18 2.70 请根据实验数据作出a-F的关系图像. (3)根据提供的试验数据作出的-F图线不通过原点,请说明主要原因。 【答案】 (1) 0.16 (0.15也算对) (2)(见下图)(3)未计入砝码盘的重力 题2. 如题(a)图,质量为M的滑块A放在气垫导轨B上,C为位移传感器,它能将滑块A到传感器C的距离数据实时传送到计算机上,经计算机处理后在屏幕上显示滑块A的位移-时间(s-t)图象和速率-时间(v-t)图象。整个装置置于高度可调节的斜面上,斜面的长度为了l、高度为h。(取重力加速度g=9.8m/s2,结果可保留一位有效数字) (1)现给滑块A一沿气垫导轨向上的初速度,A的v-t图线如题(b)图所示。从图线可得滑块A下滑时的加速度a= m/s2 ,摩擦力对滑块A运动的影响 。(填“明显,不可忽略”或“不明显,可忽略”)学 / (2)此装置还可用来验证牛顿第二定律。实验时通过改变 ,可验证质量一定时,加速度与力成正比的关系;实验时通过改变 ,可验证力一定时,加速度与质量成反比的关系。 (3)将气垫导轨换成滑板,滑块A换成滑块A’,给滑块A’一沿滑板向上的初速度,A’的s-t图线如题(c)图。图线不对称是由于 造成的,通过图线可求得滑板的倾角θ= (用反三角函数表示),滑块与滑板间的动摩擦因数μ= 【答案与解析】(1)下滑时,加速度为;上滑时,加速度为6 摩擦力对滑块A运动的影响不明显,可忽略。 (2)改变斜面高度h, 则改变斜面的倾角,则改变产生加速度的力(),可验证质量一定时,加速度与力成正比的关系;改变滑块A的质量M及斜面的高度h,且使Mh不变,因为,使Mh不变,则F不变,可验证力一定时,加速度与质量成反比的关系。 解得 (0.2 0.4都对)。 题3. 某物理课外小组利用图(a)中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。途中,置于试验台上的长木板水平放置,其右端固定一轻滑轮:轻绳跨过滑轮,一段与放在木板上的小滑车相连,另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有N=5个,每个质量均为0.010kg。实验步骤如下: (1)将5个钩码全部放入小车中,在长木板左下方垫上适当厚度的小物快,使小车9(和钩码)可以在木板上匀速下滑。 (2)将n(依次取n=1,2,3,4,5)个钩码挂在轻绳右端,其余N-n 各钩码仍留在小车内;用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车,同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s,绘制s-t图像,经数据处理后可得到相应的加速度a。 (3)对应于不同的n的a值见下表。n=2时的s-t图像如图(b)所示:由图(b)求出此时小车的加速度(保留2位有效数字),将结果填入下表。 n 1 2 3 4 5 0.20 0.58 0.78 1.00 (4)利用表中的数据在图(c)中补齐数据点,并作出a-n图像。从图像可以看出:当物体质量一定是=时,物体的加速度与其所受的合外力成正比。 (5)利用a–n图像求得小车(空载)的质量为 kg(保留2位有效数字,重力加速度取g=9.8 m·s–2)。 (6)若以“保持木板水平”来代替步骤(1),下列说法正确的是 (填入正确选项钱的标号) A.a–n图线不再是直线 B.a–n图线仍是直线,但该直线不过原点 C.a–n图线仍是直线,但该直线的斜率变大 【答案】(3)0.39(4)如图所示(5)0.45(6)BC 【解析】(3)因为小车做初速度为0的匀加速直线运动,故将(2,0.78)代入可得 根据描点法可得如图所示图线 (4)根据描点法可得如图所示图线 (5)根据牛顿第二定律可得,代入m=0.010kg,n=1、2、3、4、5,以及相应的加速度求可得 (6)若不平衡摩擦力,则满足F-f=ma的形式,所以直线不过原点,但仍是直线,A错B对;随着n的增大,小车的总质量在增大,斜率变大,C正确;查看更多