2023年新教材高中物理第4章运动和力的关系2实验：探究加速度与力质量的关系课件新人教版必修第一册

第四章运动和力的关系2实验：探究加速度与力、质量的关系学习目标学法指导1．通过实验探究加速度与力和质量的定量关系2．感悟控制变量法、图像法等科学研究方法的应用3．通过实验，培养实事求是、尊重客观规律的科学态度1．通过探究加速度与力、加速度与质量的关系，学会用控制变量法探究物理规律2．通过实验操作，掌握实验过程和实验方法，明确实验中需要注意的问题知识导图课前|自主预习一、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．3．掌握利用图像处理数据的方法．二、实验思路．采用控制变量法，在探究加速度与力、质量三者关系时，先让其中一个量保持不变来探究其他两个量之间的关系.控制小车的质量M不变分析加速度a与力F的关系控制砝码和小盘的质量不变，即力F不变，改变小车的质量M分析加速度a与M的关系三、实验器材．打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、重物、夹子、细绳、交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺．四、实验步骤．1．测质量：用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0.2．安装器材：按如图所示将实验器材安装好(小车上不系绳)．3．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，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(纸带上相邻点的间距相等)．4．测a，F.(1)把小车停在打点计时器处，挂上小盘和砝码，先接通电源，再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑，打出一条纸带，纸带记录了小车的运动情况，取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂小盘和砝码的总重力m1g.(2)保持小车的质量不变，改变小盘中砝码的质量，重复步骤(1)，多做几次实验，并记录好相应纸带的编号及所挂小盘和砝码的总重力m2g，m3g…五、数据处理．1．把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中.物理量123456作用力F

加速度a

以a为纵坐标、F为横坐标，根据数据作a-F图像，用直线拟合测量点，找出规律，分析a与F的关系．2．把不同质量的小车(小车和砝码)在相同力的作用下产生的加速度大小填在表中.3．实验结论．(1)保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受力F成正比．(2)在力F不变时，物体的加速度a与质量M成反比．六、误差分析．1．系统误差：本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力．小盘和砝码的总质量越接近于小车的质量，误差越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，由此引起的误差就越小．因此，要求小盘和砝码的总质量远小于小车的质量，是为了减小因实验原理不完善而引起的误差．2．偶然误差：摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行以及作图不准确都会引起误差．七、注意事项．1．平衡摩擦力时不要挂重物．整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的质量还是改变小车和砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力．2．实验中必须使小车和砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量．3．改变拉力或小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车．4．作图像时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧．课堂|重难探究例1在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时，采用如图所示的实验装置，小车及车中的砝码的总质量用M表示，盘及盘中的砝码的总质量用m表示，小车的加速度可由小车后面拖动的纸带上的由打点计时器打出的点计算得出．实验原理和实验操作(3)在保持小车及车中的砝码质量M一定，探究加速度与所受合外力的关系时，由于平衡摩擦力时操作不当，两位同学得到的a-F关系分别如图中甲、乙所示(a是小车的加速度，F是细线作用于小车的拉力)．出现以下情况的原因分别是：甲图：________________________________________.乙图：________________________________________.【答案】(1)m≪M

(2)B

(3)木板的倾角过大没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足【解析】(1)满足此条件，能减小系统误差．(2)平衡摩擦力时，先去掉盘、盘中砝码和细线，只让小车在重力沿斜面方向的分力作用下向左运动，当小车能匀速运动时，重力沿斜面方向的分力和摩擦力平衡，故A错误；调好后，当再次改变小车质量时，无需再平衡摩擦力，B正确；实验时，要先接通打点计时器的电源，使打点计时器正常工作，再释放小车，C错误；实验是为了验证a、F、M之间的关系，不能用此规律来验证本身，D错误．(3)由甲图可看出，F＝0时，a≠0，说明木板的倾角过大，重力沿斜面方向的分力大于摩擦力．由乙图可看出，只有当F达到一定值时，才会有加速度，说明平衡摩擦力不足或未平衡摩擦力．变式1为了探究物体质量一定时加速度与力的关系，某同学设计了如图甲所示的实验装置，其中M为小车和小车上的滑轮的总质量，m为沙和沙桶的总质量，力传感器可测出轻绳中的拉力大小．(1)下列操作中，一定要进行的是______．A．用天平测出沙和沙桶的总质量B．将带滑轮的长木板右端适当垫高，以平衡摩擦力C．调整力传感器和定滑轮的高度，使连接它们的轻绳与长木板平行D．为减小误差，一定要保证m远小于M【答案】(1)BC

(2)2.00

(3)C

本实验的注意事项实验方法控制变量法实验条件①平衡摩擦力；②m≪M数据处理方法图像法——化曲为直打点计时器的使用方法一先一后一按住．先接通电源、后放开小车，小车到达滑轮之前按住小车例2某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m关系的实验，如图甲为实验装置简图(交变电流的频率为50Hz)．数据处理和误差分析(1)图乙为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为________m/s2(结果保留两位有效数字)．(3)保持小车的质量不变，改变沙和沙桶的总质量，该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F变化的图线，如图丁所示，该图线不通过原点，其主要原因是：___________________________________.(3)由a-F图线知F增大至某值时物体开始有加速度，说明实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不充分．变式2

在“探究加速度与力、质量的关系”这一实验中：(1)甲、乙两位同学根据实验数据画出的小车的加速度a与小车所受拉力F的图像分别为图(a)中的直线Ⅰ和直线Ⅱ，直线Ⅰ、Ⅱ在纵轴或横轴上的截距较大，明显超出了误差范围，下面给出了关于形成这两种情况的四种解释，其中可能正确的是________．A．实验前甲同学没有平衡摩擦力B．甲同学在平衡摩擦力时把长木板的末端抬得过高了C．实验前乙同学没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够D．乙同学在平衡摩擦力时，把长木板的末端抬得过高了(2)如图(b)给出了该次实验中从O点开始，每5个点取一个计数点(两计数点间有4个点未画出)的纸带(频率为50Hz)，其中1,2,3,4,5都为计数点，其中x1＝1.41cm，x2＝1.91cm，x3＝2.39cm，x4＝2.91cm.由纸带数据计算可得计数点4的瞬时速度v4＝____m/s，小车的加速度a＝____m/s2.【答案】(1)BC

(2)0.265

0.495【解析】(1)Ⅰ直线表明在小车的拉力为0时，小车的加速度大于0，即合外力大于0，说明平衡摩擦力过度，即把长木板的末端抬得过高了，故A错误，B正确；Ⅱ直线说明在拉力大于0时，小车的加速度为0，即合外力为0，说明没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足，也就是没有将长木板的末端抬高或抬高不够，故C正确，D错误．例3如图甲所示为某同学研究物体加速度与力和质量关系的实验装置示意图，图乙是该装置的俯视图．两个相同的小车，放在水平桌面上，前端各系一条轻细绳，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘里可放砝码．两个小车通过细绳用夹子固定，打开夹子，小盘和砝码牵引小车同时开始做匀加速直线运动，闭合夹子，两小车同时停止运动．实验中平衡摩擦力后，可以通过在小盘中增减砝码来改变小车所受的合力，也可以通过增减小车中的砝码来改变小车的总质量．该同学记录的实验数据如下表所示，则下列说法中正确的是 (

)实验改进与创新实验次数小车1总质量m1/g小车2总质量m2/g小车1受合力F1/N小车2受合力F2/N小车1位移x1/cm小车2位移x2/cm12502500.100.2020.139.822502500.100.3015.244.532502500.200.3019.830.842505000.100.1020.039.753004000.100.1020.315.163005000.100.1030.018.0A．研究小车的加速度与合外力的关系可以利用1、2、3三次实验数据B．研究小车的加速度与小车总质量的关系可以利用2、3、6三次实验数据C．对于“合外力相同的情况下，小车质量越大，小车的加速度越小”的结论，可以由第1次实验中小车1的位移数据和第6次实验中小车2的位移数据进行比较得出D．通过对表中数据的分析，可以判断出第4次实验数据的记录不存在错误【答案】A【解析】研究小车的加速度与合外力的关系，需使小车的总质量相同，可以利用1、2、3三次实验数据，故A正确；研究小车的加速度与小车总质量的关系，需使小车受到的合外力相同，可以利用4、5、6三次实验数据，故B错误；对于“合外力相同的情况下，小车质量越大，小车的加速度越小”的结论，可以由第5次或第6次实验中小车1和小车2的位移数据进行比较得出，不同次实验中，小车运动时间不同，数据比较无意义，故C错误；第4次实验小车2的质量大，则其加速度小，其位移小，而数据记录中其位移大．故数据的记录存在错误，故D错误．变式3图甲是用来探究加速度和力之间关系的实验装置示意图，图乙是其俯视图．两个相同的小车，放在比较光滑的水平板上(摩擦力很小，可以略去)，前端各系一条细绳，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘里可放砝码．两个小车后端各系一条细线，细线后端用夹子固定，打开夹子，小盘和砝码牵引小车运动，合上夹子，两小车同时停止．用刻度尺测出两小车通过的位移，则位移之比就等于它们的加速度之比．为了探究加速度的大小与力的大小之间的关系，下列说法中正确的是 (

)A．使小盘和砝码的总质量尽可能等于小车质量B．若将小车放在粗糙水平板上，对实验结果没有影响C．位移之比等于加速度之比是因为小车的位移与加速度成正比D．可在两小盘内放置相同质量的砝码，在两小车内放置不同质量的砝码进行实验【答案】C核心素养应用实验是自然科学研究的重要方法，也是自然学科教学的重要手段，实验能力是高考考查的重要能力之一．新教材对实验能力的培养提出了更高的要求．搞清楚实验的研究方法很重要，高中物理教学中常见的八条实验研究方法分别为理想化法、平衡法、放大法、累积法、转换法、控制变量法、留迹法和模拟法．其中有些方法我们已经了解，有些还没有用过，在以后的学习中我们会一一了解的．物理实验的研究方法例4在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，渗透了研究问题的多种科学方法：(1)实验环境的等效法：___________________________.(2)实验条件设计的科学方法：__________________________.(3)实验原理的简化：即当小车质量M车≫m沙时，细绳对小车的拉力大小近似等于沙及桶的总重力m沙g的大小．科学方法：________________.【答案】(1)平衡摩擦力法(2)控制变量法(3)近似法(4)化曲为直法(5)图像法【解析】(1)由于小车运动受到摩擦阻力，所以要平衡摩擦力，以减小实验误差，称为平衡摩擦力法．(2)在探究加速度、力与质量三者关系时，保持其中一个量不变，探究其他两个量之间的关系，称为控制变量法．(3)当小车质量M车≫m沙时，细绳对小车的拉力大小近似等于沙及桶的总重力m沙g，称为近似法．小练|随堂巩固1．关于“探究加速度与力、质量的关系”实验，下列说法中正确的是

(

)A．本实验采用的方法是控制变量法B．探究加速度与质量的关系时，应该改变拉力的大小C．探究加速度与力的关系时，作a-F图像应该用线段依次将各点连接起来D．探究加速度与质量的关系时，为了直观判断二者间的关系