高中物理 第四章 牛顿运动定律 4.2 实验探究加速度与力、质量的关系优质课件2 新人教版必修1

1、2实验:探究加速度与力、质量的关系【实验目的实验目的】1.1.学会用控制变量法探究物理规律。学会用控制变量法探究物理规律。2.2.探究加速度与力、质量的关系。探究加速度与力、质量的关系。3.3.掌握利用图象处理数据的方法。掌握利用图象处理数据的方法。 【实验原理实验原理】1.1.实验的基本思想实验的基本思想控制变量法控制变量法(1)(1)保持研究对象即小车的质量不变保持研究对象即小车的质量不变, ,改变小桶内砂的改变小桶内砂的质量质量, ,即改变作用力即改变作用力, ,测出小车的对应加速度测出小车的对应加速度, ,验证加速验证加速度是否正比于作用力。度是否正比于作用力。(2)(2)保持小桶中砂

2、的质量不变保持小桶中砂的质量不变, ,即保持作用力不变即保持作用力不变, ,改变改变研究对象的质量研究对象的质量, ,测出对应不同质量的加速度测出对应不同质量的加速度, ,验证加验证加速度是否反比于质量。速度是否反比于质量。2.2.三个物理量的测量三个物理量的测量(1)(1)小车质量的测量小车质量的测量利用天平测出利用天平测出, ,在小车上增减砝码可改变小车的质量。在小车上增减砝码可改变小车的质量。(2)(2)拉力的测量拉力的测量当小桶和砂的质量远小于小车的质量时当小桶和砂的质量远小于小车的质量时, ,可以认为小桶可以认为小桶和砂的重力近似等于对小车的拉力和砂的重力近似等于对小车的拉力, ,即

3、即FmgFmg。(3)(3)加速度的测量加速度的测量: :逐差法。放在长木板上的小车在拉逐差法。放在长木板上的小车在拉力的作用下做匀加速直线运动。力的作用下做匀加速直线运动。【实验器材实验器材】小车、砝码、小桶、砂、细线、一端附有定滑轮的长小车、砝码、小桶、砂、细线、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、交流电源、纸带、刻度尺、木板、垫木、打点计时器、交流电源、纸带、刻度尺、天平。天平。【实验过程实验过程】一、实验步骤一、实验步骤1.1.用天平测量小盘的质量用天平测量小盘的质量m m0 0和小车的质量和小车的质量M M0 0, ,并把数值并把数值记录下来。记录下来。 2.2.按图实验器材安

4、装好按图实验器材安装好( (小车上不系绳小车上不系绳) )。3.3.平衡摩擦力。把木板无滑轮的一端下面垫一薄木板平衡摩擦力。把木板无滑轮的一端下面垫一薄木板, ,反复移动其位置反复移动其位置, ,使小车在不挂小盘和砝码的情况下使小车在不挂小盘和砝码的情况下, ,能沿木板做匀速直线运动能沿木板做匀速直线运动( (直到打点计时器打出的纸带直到打点计时器打出的纸带上相邻点的间距相等上相邻点的间距相等) )。4.4.把小车停放在打点计时器处把小车停放在打点计时器处, ,挂上小盘和砝码挂上小盘和砝码, ,先接先接通电源后放开小车通电源后放开小车, ,用纸带记录小车的运动情况用纸带记录小车的运动情况; ;

5、取下取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂小盘和砝码的总纸带并在纸带上标上号码及此时所挂小盘和砝码的总重力重力m m1 1g g。5.5.保持小车的质量不变保持小车的质量不变, ,改变小盘中砝码的质量改变小盘中砝码的质量, ,重复重复步骤步骤4,4,多做几次实验多做几次实验, ,并记录好相应纸带的编号及所挂并记录好相应纸带的编号及所挂小盘和砝码的总重力小盘和砝码的总重力m m2 2g g、m m3 3gg6.6.保持小车所受的合外力不变保持小车所受的合外力不变, ,在小车上加砝码在小车上加砝码, ,接通接通电源后放开小车电源后放开小车, ,用纸带记录小车的运动情况用纸带记录小车的运动情况; ;取

6、下纸取下纸带带, ,并在纸带上标上号码及小车和砝码的总质量并在纸带上标上号码及小车和砝码的总质量M M1 1。7.7.继续在小车上增加砝码继续在小车上增加砝码, ,重复步骤重复步骤6,6,多做几次实验多做几次实验, ,在每次实验得到的纸带上标上号码及小车和砝码的总在每次实验得到的纸带上标上号码及小车和砝码的总质量质量M M2 2、M M3 38.8.用公式用公式x=aTx=aT2 2或或a= a= 求得小车的加速度求得小车的加速度a,a,将得到将得到的数据填入相应表格中的数据填入相应表格中, ,以便进行数据验证。以便进行数据验证。22xT二、数据处理二、数据处理1.1.把小车在不同力作用下产生

7、的加速度填在表中把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中: :物理量物理量1 12 23 34 45 56 6作用力作用力( (小盘和砝码的重力小盘和砝码的重力) )加速度加速度a a以以a a为纵坐标、为纵坐标、F F为横坐标为横坐标, ,根据数据作根据数据作a-F a-F 图象图象, ,用曲用曲线拟合测量点线拟合测量点, ,找出规律找出规律, ,分析分析a a与与F F的关系。的关系。2.2.把不同质量的小车把不同质量的小车( (小车和砝码小车和砝码) )在相同力的作用下在相同力的作用下产生的加速度填在表中产生的加速度填在表中: :物理量物理量1 12 23 34 45 56 6小车和砝码

8、质量小车和砝码质量M M 加速度加速度a a1M分别以分别以a a为纵坐标、为纵坐标、M M和和 为横坐标为横坐标, ,根据数据作根据数据作a-Ma-M图象和图象和a- a- 图象图象, ,分析分析a a与与M M的关系。的关系。1M1M3.3.实验结论实验结论: :(1)(1)保持物体质量不变时保持物体质量不变时, ,物体的加速度物体的加速度a a与所受力与所受力F F成成正比。正比。(2)(2)在力在力F F不变时不变时, ,物体的加速度物体的加速度a a与质量与质量M M成反比。成反比。【误差分析误差分析】1.1.实验原理不完善实验原理不完善造成系统误差造成系统误差: :实验中用小盘和砝

9、码的总重力代替小车受到的拉力实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力( (实实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力),),存存在系统误差在系统误差; ;小盘和砝码的总质量越接近小车的质量小盘和砝码的总质量越接近小车的质量, ,误差就越大误差就越大, ,反之反之, ,小盘和砝码的总质量越小于小车的小盘和砝码的总质量越小于小车的质量质量, ,误差就越小。误差就越小。2.2.测量、操作不够准确造成偶然误差测量、操作不够准确造成偶然误差: :(1)(1)质量的测量误差。质量的测量误差。(2)(2)纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差。纸带上打点计时

10、器打点间隔距离的测量误差。物理量物理量1 12 23 34 45 56 6小车和钩码质量小车和钩码质量M M加速度加速度a a 1M(3)(3)拉线或纸带不与木板平行会造成误差。拉线或纸带不与木板平行会造成误差。(4)(4)平衡摩擦力不够平衡摩擦力不够( (或过度或过度) )造成的误差造成的误差, ,该误差使作该误差使作出的图线在横轴出的图线在横轴( (或纵轴或纵轴) )上产生截距。上产生截距。【注意事项注意事项】1.1.实验中小车靠近打点计时器且应先接通电源后释放实验中小车靠近打点计时器且应先接通电源后释放小车。小车。2.2.在平衡摩擦力时在平衡摩擦力时, ,不要悬挂小桶不要悬挂小桶, ,但

11、小车应连着纸带但小车应连着纸带且接通电源。用手轻轻地给小车一个初速度且接通电源。用手轻轻地给小车一个初速度, ,如果在纸如果在纸带上打出的点的间隔均匀带上打出的点的间隔均匀, ,表明小车受到的阻力跟它受表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡。到的重力沿斜面向下的分力平衡。3.3.改变砂的质量过程中改变砂的质量过程中, ,要始终保证小桶要始终保证小桶( (包括砂包括砂) )的质的质量远小于小车的质量。作图象时量远小于小车的质量。作图象时, ,要使尽可能多的点在要使尽可能多的点在所作直线上所作直线上, ,不在直线上的点应尽可能对称分布在所作不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧

12、。若遇到个别偏离较远的点可舍去。直线两侧。若遇到个别偏离较远的点可舍去。类型一类型一 实验操作实验操作【典例典例1 1】用如图所示的装置研究在作用力用如图所示的装置研究在作用力F F一定时一定时, ,小小车的加速度车的加速度a a与小车质量与小车质量M M的关系的关系, ,某位同学设计的实验某位同学设计的实验步骤如下步骤如下: : 导学号导学号 A.A.用天平称出小车和小桶及内部所装砂子的质量用天平称出小车和小桶及内部所装砂子的质量B.B.按图示安装好实验器材按图示安装好实验器材C.C.把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砂桶把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砂桶D.D.将电磁打点计时器接在将电磁打

13、点计时器接在6 V6 V电压的蓄电池上电压的蓄电池上, ,接通电接通电源源, ,放开小车放开小车, ,打点计时器在纸带上打下一系列点打点计时器在纸带上打下一系列点, ,并在并在纸带上标明小车的质量纸带上标明小车的质量E.E.保持小桶及内部砂子的质量不变保持小桶及内部砂子的质量不变, ,增加小车上的砝码增加小车上的砝码个数个数, ,并记录每次增加后的并记录每次增加后的M M值值, ,重复上述实验重复上述实验F.F.分析每条纸带分析每条纸带, ,测量并计算出加速度的值测量并计算出加速度的值G.G.作作a-Ma-M关系图象关系图象, ,并由图象确定并由图象确定a a与与M M的关系的关系(1)(1)

14、该同学漏掉的重要实验步骤是该同学漏掉的重要实验步骤是_,_,该步骤应该步骤应排在排在_步实验之后。步实验之后。(2)(2)在上述步骤中在上述步骤中, ,有错误的是有错误的是_,_,应把应把_改为改为_。(3)(3)在上述步骤中在上述步骤中, ,处理不恰当的是处理不恰当的是_,_,应把应把_改为改为_。【正确解答正确解答】实验中把小桶及其中砂子的重力看作与实验中把小桶及其中砂子的重力看作与小车所受拉力大小相等小车所受拉力大小相等, ,没有考虑摩擦力没有考虑摩擦力, ,故在悬挂砂故在悬挂砂桶前必须平衡摩擦力。电磁打点计时器接在桶前必须平衡摩擦力。电磁打点计时器接在6 V6 V电压的电压的蓄电池上时

15、不能打点蓄电池上时不能打点, ,必须接在必须接在6 V6 V以下交流电压的学以下交流电压的学生电源上。作生电源上。作a-Ma-M关系图象关系图象, ,得到的是双曲线的一支得到的是双曲线的一支, ,很很难做出正确的判断难做出正确的判断, ,必须必须“化曲为直化曲为直”, ,改作改作a- a- 关系关系图象。图象。1M答案答案: :(1)(1)平衡摩擦力平衡摩擦力B B(2)D(2)D6 V6 V电压的蓄电池电压的蓄电池6 V6 V以下交流电压的学生电源以下交流电压的学生电源(3)G(3)Ga-Ma-Ma- a- 1M类型二类型二 实验数据处理实验数据处理【典例典例2 2】某组同学设计了某组同学设

16、计了“探究加速度探究加速度a a与物体所受与物体所受合力合力F F及质量及质量m m的关系的关系”实验。如图所示为实验装置简实验。如图所示为实验装置简图图,A,A为小车为小车,B,B为电火花计时器为电火花计时器,C,C为装有细砂的小桶为装有细砂的小桶,D,D为一端带有定滑轮的长方形木板为一端带有定滑轮的长方形木板, ,实验中认为细绳对小实验中认为细绳对小车的拉力车的拉力F F等于细砂和小桶的总重量等于细砂和小桶的总重量, ,小车运动的加速小车运动的加速度度a a可用纸带上打出的点求得。可用纸带上打出的点求得。导学号导学号(1)(1)如图所示为某次实验得到的纸带如图所示为某次实验得到的纸带, ,

17、已知实验所用电已知实验所用电源的频率为源的频率为50 Hz50 Hz。根据纸带可求出电火花计时器打。根据纸带可求出电火花计时器打B B点时的速度大小为点时的速度大小为_m/s,_m/s,小车的加速度大小为小车的加速度大小为_m/s_m/s2 2。( (结果均保留两位有效数字结果均保留两位有效数字)(2)(2)在在“探究加速度探究加速度a a与质量与质量m m的关系的关系”时时, ,某同学按照某同学按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注, ,但尚未但尚未完成图象完成图象( (如图所示如图所示) )。请继续帮助该同学作出坐标系。请继续帮助该同学作出坐标系中的图象。中的图象。【正确解答正确解答】(1)AC(1)AC这段位移的平均速度等于这段位移的平均速度等于ACAC这段这段时间中间时刻的瞬时速度时间中间时刻的瞬时速度, ,即即B B点的瞬时速度点的瞬时速度, ,故故v vB B= m/s1.6 m/s= m/s1.6 m/s。由逐差法求解小车的加速度由逐差法求解小车的加速度a= a= m/s m/s2 23.2 m/s3.2 m/s2 22ABBC6