实验：探究加速度与力、质量的关系》(人教版必修1).ppt

,一、实验目的 1.学会用控制变量法探究物理规律. 2.探究加速度与力、质量的关系.,二、实验原理 控制变量法:加速度a和质量m、外力F都有关系，研究它们之间的关系时，先保持质量不变，测量物体在不同的力的作用下的加速度，分析加速度与力的关系；再保持物体所受的力相同，测量不同质量的物体在该力作用下的加速度，分析加速度与质量的关系.,三、实验器材 打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、砝码、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺,四、实验过程 1.实验步骤 (1)用天平测出小车和重物的质量分别为M0、m0,并把数值记录下来. (2)按图将实验器材安装好(小车上不系绳). (3)平衡摩擦力,在长木板无滑轮的一端下面垫一薄木板,反复移动其位置,直到打点计时器正常工作后不挂重物的小车在斜面上做匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等).,(4)将重物通过细绳系在小车上,接通电源放开小车,用纸带记录小车的运动情况;取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂重物的质量m0,计算出重物的重力m0g. (5)保持小车的质量不变,改变所挂重物的质量,从而改变拉力,重复步骤(4),多做几次实验,并记录好相应纸带及重物的质量,进而计算出重物的重力m1g、m2g、 (6)保持小车所受合外力不变,在小车上加放砝码,并测出小车与所放砝码的总质量M1,接通电源,放开小车用纸带记录小车的运动情况,取下纸带并在纸带上标上号码.,(7)继续在小车上加放砝码,重复步骤(6),多做几次实验,在每次得到的纸带上标上号码.,2.数据处理 (1)物体的质量一定,加速度与受力的关系 由表中数据，作出a-F图象，并得出结论,(2)物体的受力一定，加速度与质量的关系 由表中数据作出力F不变时a-M和a-1/M图象，并得出结论,注意事项 1.牵引小车的砝码应该有10 g、20 g、50 g等规格.没有小规格砝码，可用砂桶装砂替代，质量用天平称量. 2.探究加速度和力的关系：小盘质量为200 g，上面可加 100 g左右的砝码.所加砝码质量逐渐加大，但不要过大，砝码质量过大，会使图象线性变差.,3.探究加速度与质量的关系：小车质量固定为300 g，逐渐增加砝码至700800 g. 4.避免小车与定滑轮碰撞，控制小车应在长板有效长度内运动.,1.在本探究实验中，为什么可用相同时间内的位移之比表示加 速度之比？ 提示：在本探究实验中，小车做初速度为0的匀加速直线运动. 由匀加速直线运动的位移公式 ，式中v0=0，运动 时间t相等，故有ax，即 ，可用两车的位移之比表示 加速度之比.,2.为什么要平衡摩擦力？ 提示：若物体放在斜面上，恰能匀速下滑，物体所受合力为零.若此时再加一个沿斜面向下的拉力F，如图所示，力F就是物体受到的合力.,3.试讨论分析：为什么本实验在处理实验数据时画的是a-1/M图象而不是画a-M图象. 提示：本实验若画a-M图象，可以得到一条类似于双曲线的曲线，给我们暗示了a-M之间可能存在反比关系，但这样的判断并不够准确.因为直线最直观，所以此时，我们必须想办法把曲线转换成直线，也就是作出a-1/M图象，再进行分析.,4.试总结：怎样由实验结果得出结论? 提示:由实验图象可知，在M一定时，是一条过坐标原点的倾 斜直线，物体的加速度跟作用力成正比，即aF，在F一定 时，a- 图象是过原点的倾斜直线，物体的加速度跟质量成 反比.,误差分析 1.小车质量M应比砝码及盘的质量m大得多，其原理将在后面的习题课中专门讨论.二者差距越小，图象线性越差. 2.两个图象的分析 如出现图中的直线，说明平衡摩擦力时，平衡过大了.即拉力F=0时，已产生加速度，其加速度是由多余重力的分力形成的.,图中的直线，说明平衡摩擦力不够或根本没有平衡摩擦力，因为拉力为F0时才产生加速度.,典例1 在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，研究作用力一定时加速度与质量的关系时，下列说法中错误的是 ( ) A.平衡摩擦力时，应将装砂的小桶用细绳通过定滑轮系在小车上 B.每次改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力 C.实验时，先放开小车，再接通打点计时器的电源 D.在小车中增减砝码，应使小车和砝码的质量远大于砂和小桶的总质量,解答本题应注意以下三点： 1.实验条件； 2.平衡摩擦力的目的和做法； 3.打点计时器的规范操作.,【规范解答】选A、C.平衡摩擦力时不应挂砂桶，只需将小车放在长木板上连接纸带，使长木板的一端垫高，当小车刚好能匀速运动时，即平衡了摩擦力，A选项错误；当改变小车质量时，沿斜面向下的分力、摩擦力都跟质量成正比地改变，一次平衡后，就不用再平衡了，B选项正确；实验时应先接通电源，让打点计时器正常工作，再放开小车，才能打出完整的纸带，C选项错误；在小车中增减砝码时，必须保证小车和砝码的质量远大于小桶和砂的总质量，才能使小车受到的牵引力近似等于砂和桶的重力，因此D选项正确.,典例2 某同学做“探究加速度与力、质 量的关系”的实验时画出了如图所示的 三条图线，这三条图线表示实验中_ 不同. 解答本题需要同学们知道a-F图象斜率的物理意义.,【规范解答】如图所示过F轴上的某一点作一条平行于a轴的 直线，与三条图线有三个交点，可以看出三个交点对应的坐 标a的值不同,a的值越小，表明相同的外力作用下，物体的加 速度越小，运动状态越难改变，惯性越大，质量也就越大， 可见三条图线对应实验中斜率越小的质量越大. 答案:小车的质量,典例3 在做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时，计 算出各纸带的加速度后，将测得的反映加速度a和力F关系的 有关数据记录在表一中. 将测得的反映加速度a和质量M关系 的有关数据记录在表二中. (1)作出a-F图象与a- 图象. (2)由图象可得出什么结论?,(3)由a-F图象可得出物体的质量为多少? (4)由a- 图象可得出物体受的拉力为多大?,【思路点拨】 解答本题应注意以下三点： 1.画图时的注意事项； 2.了解化曲为直的思想； 3.能够知道图象的物理意义.,【规范解答】(1)作出a-F图象与a- 图象如图甲、乙所示.,(2)由图象甲可以得出，a与F成正比.由图象乙可以得出，a与 M成反比. (3)a-F图象的斜率 则M=0.5 kg. (4)a- 图象的斜率 答案：见规范解答,一、选择题(本题共4小题，每小题6分,共24分) 1.探究加速度与力、质量的关系实验中，物体受到的合外力不变，得出a- 图象是一条过原点的直线,说明了( ) A.物体的加速度与物体的质量成正比 B.物体的加速度与物体的质量成反比 C.物体的加速度与物体的速度成正比 D.物体的加速度与物体的速度成反比,【解析】选B.a- 图象是一条过原点的直线,说明了物体的 加速度与物体的质量成反比,所以B选项正确.物体的加速度与 物体的速度没有直接关系,加速度的大小等于速度的变化率. 所以C、D选项都错.,2.(2011虹口区高一检测)在做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时，下列说法中正确的是( ) A.平衡摩擦力时，应将砝码盘及盘内砝码通过定滑轮拴在小车上 B.连接砝码盘和小车的细绳应跟长木板保持平行 C.平衡摩擦力后，长木板的位置不能移动 D.小车释放前应靠近打点计时器，且应先接电源再释放小车,【解析】选B、C、D.本题考查实验过程中应注意的事项，选项A中平衡摩擦力时，不能将砝码盘及盘内砝码(或小桶)拴在小车上，使小车受到拉力,A错；选项B、C、D符合正确的操作方法，B、C、D对.,3.(2011衡水高一检测)如图所示，在探究加速度与力、质量的关系实验中，若1、2两个相同的小车所受拉力分别为F1、F2，车中所放砝码的质量分别为m1、m2，打开夹子后经过相同的时间两车的位移分别为x1、x2，则在实验误差允许的范围内，有( ),A.当m1m2、F12F2时，x12x2 B.当m1m2、F12F2时，x22x1 C.当m12m2时，x12x2 D.当m12m2、F1F2时，x22x1,【解析】选A.题中m1和m2是车中砝码的质量，不能认为是小车 的质量.本题中只说明了两小车是相同的，并没有告诉小车的 质量是多少.当m1m2时，两车加砝码后质量仍相等，若F1 2F2，则a12a2，由x at2得x12x2，A对.若m12m2时， 无法确定两车加砝码后的质量关系，两小车的加速度关系也 就不明确，自然无法判定两车的位移关系.,4.如图所示，是四位同学在做“探究加速度与力、质量的关 系”的实验时作的a-F图象，其中正确的图象为( ) 【解析】选A.加速度与作用力成正比，a-F图象的图线应该是 一条倾斜的直线，不是曲线或者折线，B、C错.由于实验中存 在误差，不在直线上的点要均匀分布在直线的两侧，不能把 线画得太粗，掩盖误差的存在，D错.本题选A.,二、非选择题(本题共3小题，共26分) 5.(8分)在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，备有下列器材： A.电火花计时器;B.天平;C.秒表;D.交流电源;E.电池;F.纸带;G.细绳、砝码、滑块(可放在气垫导轨上)；H.气垫导轨(一端带定滑轮)；I.毫米刻度尺；J.小型气泵 (1)实验中应选用的器材有_； 实验的研究对象是_. (2)本实验分两大步骤进行:_; _.,【解析】做本实验时,在m一定时,根据不同力作用下打出的纸带,求出加速度;F一定时,根据不同质量条件下打出的纸带,求出加速度.只要明确电火花计时器及气垫导轨的工作条件,则不难将器材选出. 答案：(1)A、B、D、F、G、H、I、J 放在气垫导轨上的滑块 (2)见解析,6.(9分)用斜面、小车、砂桶、砝码等器材做“探究加速度与力、质量的关系”实验，如图是实验中一条打点的纸带，相邻计数点的时间间隔为T，且间距s1，s2，s3，s6已量出. (1)请写出三个不同的计算加速度的表达式. (2)如图(a)，甲同学根据测量数据画出a-F图线，表明实验的问题是_.,(3)乙、丙同学用同一装置实验，在同一个坐标系中,画出了各自得到的a-F图线如图(b)所示，说明两个同学做实验时的哪一个物理量取值不同？并比较其大小.,【解析】(1)a(s2-s1)/T2； a(s4-s1)/3T2； a(s6+s5+s4)-(s3+s2+s1)/9T2. (2)没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够. (3)两小车及车上砝码的质量不同，且M乙M丙. 答案：见解析,7.(9分)(2011潍坊高一检测)为了探究加速度与力的关系， 使用如图所示的气垫导轨装置进行实验.其中G1、G2为两个光 电门，它们与数字计时器相连，当滑行器通过G1、G2光电门 时，光束被遮挡的时间t1、t2都可以被测量并记录，滑行 器连同上面固定的一条形挡光片的总质量为M，挡光片宽度为 D，光电门间距离为x，牵引砝码的质量为m.回答下列问题：,(1)实验开始应先调节气垫导轨下面的螺钉，使气垫导轨水平，在不增加其他仪器的情况下，如何判定调节是否到位？ 答：_. (2)若取M0.4 kg，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值不合适的一个是_. A.m15 g B.m215 g C.m340 g D.m4400 g (3)在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，其中求加速度的表达式为：_. (用t1、t2、D、x表示),【解析】 (1)如果气垫导轨水平，则不挂砝码时，M应能在任 意位置静止不动，或推动M后能使M匀速运动. (2)应满足Mm，故m4400 g不合适. (3)由 ， ，v22-v122ax. 可得： .,答案：(1)取下牵引砝码，M放在任意位置都不动；或取下牵引砝码，轻推滑行器M，数字计时器记录每一个光电门的光束被挡的时间t都相等 (2)D (3),【规律方法】应用光电门求速度和加速度 光电门是一个像门一样的装置,马蹄形光电门的构件内侧两边分别装有红外发射与接收器件,构成一连续