202X_202X新教材高中物理4.2实验：探究加速度与力、质量的关系课件新人教版必修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.探究加速度与力、质量的关系。探究加速度与力、质量的关系。2.2.学会用学会用_探究物理规律。探究物理规律。控制变量法控制变量法【实验器材实验器材】带滑轮的木板、薄垫块、小车、细绳、重物带滑轮的木板、薄垫块、小车、细绳、重物( (小槽码或小槽码或沙桶沙桶) )、_、纸带、纸带、_、天平、砝码、天平、砝码、刻度尺。刻度尺。打点计时器打点计时器交流电源交流电源【实验原理与设计实验原理与设计】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)变量的控制要求变量的控制要求: :在物理实验中在物理实验中, ,要注意控

2、制实验过要注意控制实验过程中的不同变量。程中的不同变量。(2)(2)设计思路设计思路: :若讨论加速度与物体受力的关系若讨论加速度与物体受力的关系, ,应控制应控制_不变。不变。若讨论加速度与物体质量的关系若讨论加速度与物体质量的关系, ,应控制应控制_不变。不变。质量质量受力受力(3)(3)实验思想的拓展实验思想的拓展: :这种控制一些物理量不变这种控制一些物理量不变, ,先分别研究待测量与其中一先分别研究待测量与其中一个物理量的关系个物理量的关系, ,再综合解决问题的控制变量法再综合解决问题的控制变量法, ,被广被广泛应用于科学探究中。泛应用于科学探究中。2.2.实验原理实验原理: :(1

3、)(1)保持小车质量保持小车质量m m不变不变通过通过_的方式改变作用于小车的力的方式改变作用于小车的力F,F,测出小车测出小车相应的加速度相应的加速度a,a,则可得则可得a a与与F F的关系。的关系。增减重物增减重物(2)(2)保持拉力保持拉力F F不变不变通过通过_的方式改变小车的质量的方式改变小车的质量m,m,测出测出相应的加速度相应的加速度a,a,则可得则可得a a与与m m的关系。的关系。在小车上增减砝码在小车上增减砝码3.3.实验设计实验设计三个物理量的测量方法三个物理量的测量方法: :(1)(1)拉力的测量。拉力的测量。平衡小车所受阻力平衡小车所受阻力a.a.将木板一端垫高将木

4、板一端垫高; ;b.b.使小车不挂重物时能使小车不挂重物时能_;_;c.c.此时小车重力沿斜面的分力恰好抵消其所受此时小车重力沿斜面的分力恰好抵消其所受_。匀速运动匀速运动摩擦力摩擦力及其他阻力及其他阻力使小车所受拉力等于重物的重力使小车所受拉力等于重物的重力只有只有_时时, ,才可以近似才可以近似认为重物的重力等于对小车的拉力。认为重物的重力等于对小车的拉力。所挂重物的质量远小于小车质量所挂重物的质量远小于小车质量(2)(2)研究对象质量的测量。研究对象质量的测量。利用天平测出利用天平测出_;_;研究对象的质量等于研究对象的质量等于_。小车的质量小车的质量m m和重物的质量和重物的质量m m

5、0 0小车质量小车质量m m与砝码质量之和与砝码质量之和(3)(3)加速度的测量。加速度的测量。原理原理: :放在长木板上的小车在拉力的作用下做匀加速放在长木板上的小车在拉力的作用下做匀加速直线运动直线运动, ,即即x=_x=_。应用刻度尺测量应用刻度尺测量_。应用应用_计算对应的加速度大小。计算对应的加速度大小。aTaT2 2计数点之间的距离计数点之间的距离逐差法逐差法【实验过程实验过程】一、实验步骤一、实验步骤1.1.安装实验器材安装实验器材: :将小车置于带有定滑轮的木板上将小车置于带有定滑轮的木板上, ,将将纸带穿过打点计时器后挂在小车尾部。纸带穿过打点计时器后挂在小车尾部。2.2.平

6、衡摩擦力平衡摩擦力: :用薄垫块将一端垫高用薄垫块将一端垫高, ,调整其倾斜程度调整其倾斜程度, ,直到小车运动时打点计时器在纸带上打出的点分布均直到小车运动时打点计时器在纸带上打出的点分布均匀为止。匀为止。3.3.悬挂重物悬挂重物: :在细线一端挂上重物在细线一端挂上重物, ,另一端通过定滑轮另一端通过定滑轮系在小车前端。系在小车前端。4.4.收集纸带数据收集纸带数据: :将小车靠近打点计时器后开启打点计将小车靠近打点计时器后开启打点计时器时器, ,并让小车由静止释放并让小车由静止释放, ,打点计时器在纸带上打出打点计时器在纸带上打出一系列点一系列点, ,据此计算出小车的加速度。据此计算出小

7、车的加速度。5.5.改变小车受力改变小车受力: :(1)(1)保持小车的质量不变保持小车的质量不变, ,通过增加槽码的数量通过增加槽码的数量, ,增加重增加重物的质量物的质量( (总质量仍远小于小车质量总质量仍远小于小车质量) )。接通电源后放。接通电源后放开小车开小车, ,用纸带记录小车的运动情况。取下纸带。并在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所挂槽码的总重力纸带上标上号码及所挂槽码的总重力m m1 1g g。(2)(2)重复步骤重复步骤4,4,多做几次实验多做几次实验, ,并记录好相应纸带的编并记录好相应纸带的编号及所挂槽码的总重力号及所挂槽码的总重力m m2 2g

8、 g、m m3 3gg6.6.改变小车质量改变小车质量: :(1)(1)保持重物保持重物( (小车所受的拉力小车所受的拉力) )不变不变, ,通过增加或减少通过增加或减少小车上的砝码的方式小车上的砝码的方式, ,改变小车的质量改变小车的质量, ,接通电源后放接通电源后放开小车开小车, ,用纸带记录小车的运动情况。取下纸带用纸带记录小车的运动情况。取下纸带, ,并在并在纸带上标上号码及小车和砝码的总质量纸带上标上号码及小车和砝码的总质量M M1 1。(2)(2)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

9、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 37.7.求加速度求加速度: :用公式用公式x=aTx=aT2 2, ,求得小车的加速度求得小车的加速度a,a,将得将得到的数据填入相应表格中到的数据填入相应表格中, ,以便进行数据处理。以便进行数据处理。【思考思考讨论讨论】(1)(1)实验过程中应注意哪几方面的操作安全问题实验过程中应注意哪几方面的操作安全问题? (? (科科学态度与责任学态度与责任) )提示提示: :使用打点计时器时使用打点计时器时, ,应注应注意用电安全。意用电安全。注意避免小车、砝码及重物等下落注意避免小车、砝码及重物等下落, ,以

10、免损坏器材或以免损坏器材或砸伤身体。砸伤身体。 (2)(2)如何判断是否已经平衡摩擦力如何判断是否已经平衡摩擦力? ? ( (科学思维科学思维) )提示提示: :轻轻推动小车轻轻推动小车, ,使小车运动使小车运动, ,当打点计时器在小车当打点计时器在小车所连接的纸带上打出的点迹均匀时所连接的纸带上打出的点迹均匀时, ,说明已经平衡摩擦说明已经平衡摩擦力。力。二、数据收集与分析二、数据收集与分析1.1.列列F F、a a数据收集表数据收集表: :把小车在不同力作用下产生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( (

11、槽槽码的重力码的重力) )加速度加速度a a2.2.作作a -Fa -F图像的方法图像的方法: :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 图像图像, ,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。3.3.列列M M、a a收集表格收集表格: :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) )在相同力的作用下产在相同力的作用下产生的加速度填在表中生的加速度填在表中: :物理量物理量1 12 23 34 45 56 6小车和砝码小车和砝码质量质量M M 加速度加速度a a1

12、M4.4.作作a -a - 图像的方法图像的方法: :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图图像和像和a-a- 图像图像, ,分析分析a a与与M M的关系。的关系。1M1M1M5.5.实验结论实验结论: :(1)(1)对同一物体对同一物体, ,当当M M不变时不变时, ,物体的加速度物体的加速度a a与所受力与所受力F F成正比。成正比。(2)(2)对不同物体对不同物体, ,当当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成成反比。反比。 【思考思考讨论讨论】为什么在研究加速度与质量的关系时为什么

13、在研究加速度与质量的关系时, ,不作不作a -Ma -M图像图像, ,而是作而是作a-a- 图像图像? ?( (科学思维科学思维) ) 1M提示提示: :因为因为a -Ma -M图像的图线不是线性关系图像的图线不是线性关系, ,转化为转化为a -a - 图像后图像后, ,转化为线性关系转化为线性关系, ,使物理量之间的关系更直使物理量之间的关系更直观。观。1M【误差分析误差分析】1.1.实验原理不完善造成系统误差实验原理不完善造成系统误差: :(1)(1)产生原因产生原因: :实验中用槽码的重力代替小车受到的拉实验中用槽码的重力代替小车受到的拉力力( (实际上小车受到的拉力要小于槽码的重力实际

14、上小车受到的拉力要小于槽码的重力),),存在系存在系统误差。统误差。(2)(2)槽码质量对误差大小的影响槽码质量对误差大小的影响: :定量分析定量分析: :设小车的质量为设小车的质量为M,M,槽码的质量为槽码的质量为m,m,当二者一起运动时当二者一起运动时加速度为加速度为a,a,以小车和槽码作为一个整体为研究对象以小车和槽码作为一个整体为研究对象, ,依依据实验结论可得据实验结论可得mg=(M+m)amg=(M+m)a以小车为研究对象以小车为研究对象, ,设其受的拉力为设其受的拉力为T,T,则则T=MaT=Ma联立得联立得T=T= mgmgMmg1mMm1M只有当只有当m mM M时时,Tmg

15、,Tmg( (说明说明: :此内容可结合下一节内容学习此内容可结合下一节内容学习) ) 定性分析定性分析: :槽码的质量越接近小车的质量槽码的质量越接近小车的质量, ,误差就越大误差就越大; ;反之反之, ,槽码槽码的质量越小于小车的质量的质量越小于小车的质量, ,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)质量的测量带来误差。质量的测量带来误差。(2)(2)纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差。纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差。(3)(3)拉线或纸带不与木板平行造成误差。拉线或纸带不与木板平行造成误差。(4)(4)平衡

16、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。【思考思考讨论讨论】请从改进实验器材的角度请从改进实验器材的角度, ,讨论改进测量小车所受拉力讨论改进测量小车所受拉力的方法的方法, ,减小实验的系统误差。减小实验的系统误差。( (科学探究科学探究) )提示提示: :为了减小由于小车所受拉力而产生的系统误差为了减小由于小车所受拉力而产生的系统误差, ,可将力传感器和位移传感器的发射器装在运动的小车可将力传感器和位移传感器的发射器装在运动的小车上上, ,将接收器装在小车运动轨道

17、的末端将接收器装在小车运动轨道的末端, ,并通过数据采并通过数据采集器输入计算机集器输入计算机, ,就可以测出小车所受的拉力。就可以测出小车所受的拉力。类型一实验操作类型一实验操作【典例典例1 1】在做在做“验证牛顿第二定律验证牛顿第二定律”的实验时的实验时( (装置装置如图所示如图所示):):世纪金榜导学号世纪金榜导学号(1)(1)下列说法中正确的是下列说法中正确的是_。A.A.平衡运动系统的摩擦力时平衡运动系统的摩擦力时, ,应把装沙的小桶通过定滑应把装沙的小桶通过定滑轮拴在小车上轮拴在小车上B.B.连接沙桶和小车的轻绳应和长木板保持平行连接沙桶和小车的轻绳应和长木板保持平行C.C.平衡摩

18、擦力后平衡摩擦力后, ,长木板的位置不能移动长木板的位置不能移动D.D.小车应靠近打点计时器小车应靠近打点计时器, ,且应先接通电源再释放小车且应先接通电源再释放小车(2)(2)研究在作用力研究在作用力F F一定时一定时, ,小车的加速度小车的加速度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步骤如下某位同学设计的实验步骤如下: :A.A.用天平称出小车和小桶及内部所装沙子的质量。用天平称出小车和小桶及内部所装沙子的质量。B.B.按图装好实验器材。按图装好实验器材。C.C.把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂沙桶。把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂沙桶。D.D.将电磁打点计时

19、器接在将电磁打点计时器接在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质量。纸带上标明小车质量。E.E.保持小桶及其中沙子的质量不变保持小桶及其中沙子的质量不变, ,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关系图像关系图像, ,并由图像确定并由图像确定a a、M M关系

20、。关系。 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。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_。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_。【解析解析】(1)(1)平衡摩擦力时平衡摩擦力时, ,应将绳从小车上拿去应将绳从小车上拿去, ,轻轻轻轻推动小车推动小车, ,使小车沿木板运动使小车沿木板运动, ,通过打点计时器打出来通过打点计时器打出来的纸带判断小车是否匀速运动的纸带判断小车是否匀速运动,A,A错误错误; ;若连接沙桶和小若连接沙桶和小车的细

21、绳与长木板不保持平行车的细绳与长木板不保持平行, ,则绳子的拉力分力等于则绳子的拉力分力等于小车的外力小车的外力, ,这样导致误差增大这样导致误差增大,B,B正确正确; ;每次改变小车每次改变小车的质量时的质量时, ,小车的重力沿斜面分力和摩擦力仍能抵消小车的重力沿斜面分力和摩擦力仍能抵消, ,不需要重新平衡摩擦力不需要重新平衡摩擦力, ,故长木板的位置不能移动故长木板的位置不能移动, ,以以防摩擦力不再平衡防摩擦力不再平衡,C,C正确正确; ;实验时实验时, ,若先放开小车再接若先放开小车再接通打点计时器电源通打点计时器电源, ,由于小车运动较快由于小车运动较快, ,可能会使打出可能会使打出

22、来的点很少来的点很少, ,不利于数据的采集和处理不利于数据的采集和处理, ,应先接通电源应先接通电源待打点计时器工作稳定后再释放小车待打点计时器工作稳定后再释放小车; ;同时要求开始小同时要求开始小车要靠近打点计时器车要靠近打点计时器, ,故故D D正确。正确。(2)(2)漏掉的重要实验步骤是平衡摩擦力漏掉的重要实验步骤是平衡摩擦力, ,该步骤应排该步骤应排在在B B步实验之后。步实验之后。电磁打点计时器使用的是电磁打点计时器使用的是4 46 V6 V的低压交流电源的低压交流电源, ,故故步骤步骤D D中不能使用蓄电池而应该使用中不能使用蓄电池而应该使用4 46 V6 V的低压交流的低压交流学

23、生电源。学生电源。由牛顿第二定律可知物体的加速度由牛顿第二定律可知物体的加速度a a与物体的质量与物体的质量M M成反比成反比, ,所以所以a -Ma -M图像是曲线图像是曲线, ,而仅仅根据曲线很难判而仅仅根据曲线很难判定加速度定加速度a a与物体的质量与物体的质量M M到底是什么关系到底是什么关系, ,但但a - a - 是正比例关系是正比例关系, ,而正比例关系图像是一条过坐标原点的而正比例关系图像是一条过坐标原点的直线直线, ,所以应作所以应作a - a - 图像图像, ,处理不当的是步骤处理不当的是步骤G G。1M1M答案答案: :(1)B(1)B、C C、D D(2)(2)平衡摩擦

24、力平衡摩擦力B BD D6 V6 V电压的蓄电池电压的蓄电池4 46 V6 V的低压交流电源的低压交流电源G Ga -Ma -Ma - a - 1M类型二数据处理类型二数据处理【典例典例2 2】某组同学设计了某组同学设计了“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。实验。如图甲为实验装置简图如图甲为实验装置简图,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车拉力实验中认为细绳对小车拉力F F等于细砂和小

25、桶的总重力等于细砂和小桶的总重力, ,小车运动的加速度小车运动的加速度a a可用纸带上打出的点求得。可用纸带上打出的点求得。世纪金榜导学号世纪金榜导学号(1)(1)某次实验时某次实验时, ,测得小车和小车上的砝码总质量为测得小车和小车上的砝码总质量为800 g,800 g,则细砂和小桶的总质量较为合理的是则细砂和小桶的总质量较为合理的是_A.50 gA.50 gB.500 gB.500 gC.5 kgC.5 kgD.50 kgD.50 kg(2)(2)如图乙为某次实验得到的纸带如图乙为某次实验得到的纸带, ,已知实验所用电源已知实验所用电源的频率为的频率为50 Hz50 Hz。根据纸带可求出电

26、火花计时器打。根据纸带可求出电火花计时器打B B点点时的速度为时的速度为_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。( (结果均保留两位小数结果均保留两位小数)(3)(3)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都在坐标系中进行了标注自己的方案将实验数据都在坐标系中进行了标注, ,但尚但尚未完成图像未完成图像( (如图丙所示如图丙所示) )。请继续帮助该同学作出坐。请继续帮助该同学作出坐标系中的图像。标系中的图像。(4)(4)在在“探究加速度探究加速度a a与合力与合力F F的关系的关

27、系”时时, ,该同学根据该同学根据实验数据作出了加速度实验数据作出了加速度a a与合力与合力F F的图线如图丁所示的图线如图丁所示, ,图图线不通过坐标原点的原因是线不通过坐标原点的原因是_。 【解析解析】(1)(1)为了使细绳对小车拉力为了使细绳对小车拉力F F等于细砂和小桶等于细砂和小桶的总重力的总重力, ,则需要满足小车和小车上的砝码总质量远远则需要满足小车和小车上的砝码总质量远远大于细砂和小桶的总质量大于细砂和小桶的总质量, ,若小车和小车上的砝码总质若小车和小车上的砝码总质量为量为800 g,800 g,则细砂和小桶的总质量较为合理的是则细砂和小桶的总质量较为合理的是50 g,50

28、g,故故A A正确正确,B,B、C C、D D错误。错误。(2)AC(2)AC这段位移的平均速度等于这段位移的平均速度等于ACAC这段时间中间时刻的这段时间中间时刻的瞬时速度瞬时速度, ,即即B B点的瞬时速度点的瞬时速度, ,故故v vB B= =1.63 m/s= =1.63 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= =1.72 m/sa= =1.72 m/s2 2。ABBC4T2(CDDE)(ABBC)4 (2T) (3)(3)根据描点法作出图像根据描点法作出图像, ,如图所示如图所示(4)(4)图线不通过坐标原点图线不通过坐标原点,F,F不为零时不为零时, ,

29、加速度仍为零加速度仍为零, ,知知实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不够。实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不够。答案答案: :(1)A(1)A(2)1.63(2)1.631.721.72(3)(3)见解析图见解析图(4)(4)没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不够没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不够【规律方法规律方法】分析纸带分析纸带图像类问题的思路图像类问题的思路(1)(1)瞬时速度的求法瞬时速度的求法: :根据中间时刻的瞬时速度等于这根据中间时刻的瞬时速度等于这段位移的平均速度段位移的平均速度, ,求解某点的瞬时速度。求解某点的瞬时速度。(2)(2)加速度的求法加速度的求法: :根据逐差法即根据逐差法即x=aTx=aT2 2, ,求解小车的求解小车的加速度。加速度。(3)(3)图像的画法图像的