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銜接17：探究加速度與力、質量的關系

一、實驗目的
(1)學會用控制變量法探究物理規律。
(2)探究加速度與力、質量的關系。

二、實驗原理
控制變量法：在探究加速度與力、質量三者關系時，先讓其中一個量保持不變來探究其他兩個量之間的關系。
1．探究加速度與力的關系的基本思路
保持物體的質量不變，測量物體在不同力的作用下的加速度，分析加速度與力的關系。
2．探究加速度與質量的關系的基本思路
保持物體所受的力不變，測量不同質量的物體在該力作用下的加速度，分析加速度與質量的關系。
3．實驗方案
這個實驗中需要測量的物理量有三個：物體的加速度、物體所受的力、物體的質量。質量用天平測量，因此本實驗要解決的主要問題是怎樣測量加速度和物體所受的力。
(1)怎樣測量(或比較)物體的加速度：
在運動物體上安裝一條穿過打點計時器的紙帶，根據紙帶上打出的點來測量加速度。在這個實驗中也可以測加速度與其他量之間的比例關系。測量不同情況下(即不同受力、不同質量時)物體加速度的比值就可以了。
由于初速度為零時，a＝2xt2，如果測出這兩個初速度為零的勻加速直線運動在相同時間內發生的位移x1、x2，位移之比就等于加速度之比，即a1a2＝x1x2。
(2)怎樣提供和測量物體所受的恒力設計的實驗裝置如圖所示。

①對此實驗中力的理解：除了在真空中拋出或落下的物體(僅受重力)外，僅受一個力的物體幾乎是不存在的。然而，一個單獨的力的作用效果與跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的，因此，實驗中的力F的含義可以是物體所受的合力。
②平衡摩擦力：如圖所示，紙帶穿過打點計時器。為了消除摩擦力對小車的影響，可將木板無滑輪的一端稍微墊高一些，用小車的重力的分力來抵消它所受到的摩擦力，直到小車不掛重物時能在木板上勻速運動為止。
當掛上重物時，只要重物的質量遠小于小車的質量，那么我們可近似認為托盤和砝碼所受的重力大小等于小車所受的合力的大小。增減盤中砝碼的個數可改變小車所受到的合力。
(3)怎樣由實驗結果得出結論：
根據實驗數據以a為縱坐標、F為橫坐標，和以a為縱坐標、1m為橫坐標作出圖像。如果圖像是過原點的直線，則說明加速度與力成正比與質量成反比。
三、實驗器材
打點計時器、紙帶、復寫紙片、小車、一端附有定滑輪的長木板、小盤、砝碼、夾子、細繩、低壓交流電源、導線、天平(帶有一套砝碼)、刻度尺。
四、實驗步驟
(1)用天平測出小車和重物的質量分別為M0、m0，并把數值記錄下來。
(2)按圖將實驗器材安裝好(小車上不系繩)。

(3)平衡摩擦力，把木板無滑輪的一端下面墊一薄木板，反復移動其位置，直到打點計時器正常工作后不掛重物的小車在斜面上做勻速直線運動為止(紙帶上相鄰點間距相等)。
(4)將重物通過細繩系在小車上，接通電源放開小車，用紙帶記錄小車的運動情況；取下紙帶并在紙帶上標上號碼及此時所掛重物的重力m0g。
(5)保持小車的質量不變，改變所掛重物的重力，重復步驟4，多做幾次實驗，每次小車從同一位置釋放，并記錄好重物的重力m1g、m2g…，以及計算出相應紙帶的加速度填入表格1。
表格1　物體的質量一定，加速度與受力的關系

(6)保持托盤中所放重物的質量不變，在小車上加放砝碼，并測出小車與所放砝碼的總質量M，接通電源，放開小車，用紙帶記錄小車的運動情況，取下紙帶并在紙帶上標上號碼。
(7)繼續在小車上加放砝碼，重復步驟6，多做幾次實驗，在每次得到的紙帶上標上號碼。
(8)計算出每次實驗所得紙帶的加速度值及小車與砝碼的總質量填入表格2。
表格2　物體受到的外力一定，加速度與質量的關系