Question

16．在探究“加速度與力、質量的關系”的實驗中：

（1）某同學在接通電源進行實驗之前，將實驗器材組裝，如圖甲所示．請你指出該裝置中錯誤或不妥之處：打點計時器使用直流電源，沒有平衡摩擦力，小車沒有靠近打點計時器．
（2）改正實驗裝置后，該同學順利地完成了實驗，如圖乙是他在實驗中得到的一條紙帶，圖中相鄰兩計數點之間的時間間隔為0.1s，由圖中的數據可算得小車的加速度為0.193m/s²．（保留三位有效數字）
（3）該同學要探究小車的加速度a和質量M的關系，應該保持拉力不變；若該同學要探究加速度a和拉力F的關系，應保持小車質量不變．
（4）該同學通過數據的處理作出了a-F圖象，如圖丙所示，則
①圖中的直線不過原點的原因是平衡摩擦力過度．
②此圖中直線發生彎曲的原因是砂桶質量偏大（填“偏大”或“偏小”）．

Answer 1

分析 （1）電磁打點計時器是利用4～6v的交流電源，電火花計時器是利用220v交流電源；釋放前小車應緊靠打點計時器；實驗前要首先平衡摩擦力．
（2）利用逐差法根據△x=at²可求物體的加速度．
（3）該實驗是探究加速度與力、質量的三者關系，研究三者關系必須運用控制變量法，根據實驗目的確定需要控制的變量．
（4）探究加速度與拉力的關系實驗時，要平衡摩擦力，平衡摩擦力時，要求小車在無動力的情況下平衡摩擦力，不需要掛任何東西．小車的加速度應根據打點計時器打出的紙帶求出；平衡摩擦力時，是重力沿木板方向的分力等于摩擦力，由圖象可知，還沒有掛重物時，小車已經產生了加速度，由此可知圖象不過原點的原因．

解答 解：（1）由圖示實驗裝置可知：該實驗中電磁打點計時器是利用4～6V的交流電源，電火花計時器是利用220V交流電源；不是直流電源．
在本實驗中我們認為繩子的拉力等于物體所受的合外力，故在實驗前要首先平衡摩擦力；
為了盡可能的利用紙帶在釋放前小車應緊靠打點計時器；
（2）由勻變速直線運動的推論△x=at²可知，加速度：a=$\frac{{x}_{4}-{x}_{1}}{3{t}^{2}}$=$\frac{0.0404-0.0274-0.0072}{3×0．{1}^{2}}$≈0.193m/s²．
（3）該實驗是運用控制變量法研究的，該同學要探究小車的加速度a和質量M的關系，應該保持細線對車的拉力F不變；若該同學要探究加速度a和拉力F的關系，應該保持小車的質量M不變．
（4）①圖中當F=0時，a≠0．也就是說當繩子上沒有拉力時，小車的加速度不為0，說明小車的摩擦力小于重力的分力，所以原因是實驗前木板右端墊得過高，即平衡摩擦力過度導致．
②設小車的加速度為a，繩子拉力為F，以砂和砂桶為研究對象得：mg-F=ma，
以小車為研究對象：F=Ma，解得：a=$\frac{mg}{M+m}$，F=Ma=$\frac{mg}{1+\frac{m}{M}}$，所以要使得繩子拉力等于砂和砂桶的重力大小，必有m＜＜M，
而不滿足m＜＜M時，隨m的增大物體的加速度a逐漸減小．故圖象彎曲的原因是：未滿足砂和砂桶質量遠小于小車的質量，砂桶質量偏大．
故答案為：（1）打點計時器使用直流電源，沒有平衡摩擦力，小車沒有靠近打點計時器；（2）0.193；（3）拉力；小車質量；
（2）①平衡摩擦力過度；②偏大．

點評 本題考查了實驗注意事項、實驗數據處理，考查了控制變量法的應用；探究加速與力的關系實驗時，要平衡摩擦力、應根據紙帶求出小車的加速度，掌握實驗的實驗注意事項是正確解題的關鍵，要清楚每一項操作存在的理由．