高中新教材人教版物理课件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

第四章运动和力的关系2.实验:探究加速度与力、质量的关系实验探究·新知导学典例精讲·释疑解惑随堂练习课标定位1.通过实验探究加速度与力、质量的定量关系。2.会测量加速度,掌握利用图像法处理实验数据的方法。素养阐释1.通过实验探究加速度与物体受力、物体质量的关系,学会用控制变量法研究物理规律。2.通过分析和处理实验数据,培养学生运用数学方法的能力,提高科学探究能力。

实验探究·新知导学一、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、实验原理1.控制变量法:(1)控制小车质量不变,研究小车的加速度a与受力F的关系;(2)控制小车受力F不变,研究小车的加速度a与其质量的关系。2.需要测量的量:(1)小车与砝码总质量;(2)小车所受拉力F;(3)小车的加速度a。三、实验器材小车、砝码、槽码、细线、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、交变电源、纸带、刻度尺、天平。四、实验步骤1.用天平测出小车的质量,并把数值记录下来。2.按如图所示的装置把实验器材安装好(小车上先不系绳)。3.平衡摩擦力:在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块,反复移动木块位置,直到轻推小车在斜面上运动时,小车可保持匀速直线运动(纸带上相邻两点间距离相等)为止。4.将槽码用细绳绕过定滑轮系在小车上,在小车上加放适量的砝码,用天平测出槽码的质量m,记录下来。接通电源,放开小车,待打点计时器在纸带上打好点后取下纸带,并设计表格如下。表1次数12345小车加速度a/(m·s-2)

拉力F/N

5.保持小车(含砝码)的质量不变,改变槽码的个数,再做5次实验。6.用公式Δx=aT2或a=求得小车的加速度a,并记录到表格中。7.保持小车(含砝码)所受的拉力不变,增减小车上加放砝码的质量,重复上面的实验,求出相应的加速度,把数据记录到下面的表格中。表2次数12345小车加速度a/(m·s-2)

小车(含砝码)质量m'/kg

8.整理实验器材,结束实验。

五、数据处理1.以a为纵坐标、F为横坐标建立直角坐标系,根据表1中记录的数据作a-F图像(如图甲所示),找出规律,分析加速度a与拉力F的关系。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.实验原理不完善造成系统误差实验中用槽码的重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于槽码的重力),存在系统误差;槽码的质量越接近小车的质量,误差就越大,反之,槽码的质量越小于小车的质量,误差就越小。2.测量、操作不够准确造成偶然误差(1)质量的测量误差。(2)纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差。(3)拉线或纸带不与木板平行造成误差。(4)平衡摩擦力不够(或过度)造成的误差,该误差使作出的图线在横轴(或纵轴)上产生截距。七、注意事项1.打点前小车应位于靠近(选填“靠近”或“远离”)打点计时器的一端,且应先接通电源后释放小车。2.在平衡摩擦力时,不要(选填“要”或“不要”)悬挂槽码,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,如果在纸带上打出的点的间隔均匀,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。3.在实验过程中,要始终保证槽码的质量远小于小车的质量。4.作图时应使所作的直线通过尽可能多的点,不在直线上的点也要尽可能地对称分布在直线的两侧,但若遇到个别偏离较远的点可舍去。

典例精讲·释疑解惑一、实验操作及步骤【例题1】

(1)用如图甲所示的装置研究在作用力F一定时,小车的加速度a与小车(含砝码)质量m的关系,甲同学设计的实验步骤如下:A.用天平称出小车和小桶及内部所装沙子的质量B.按图装好实验器材C.把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂小桶D.将电磁打点计时器接在电压为8V的蓄电池上,接通电源,释放小车,打点计时器在纸带上打下一系列点,并在纸带上标明小车质量E.保持小桶及其中沙子的质量不变,增加小车上的砝码个数,并记录每次增加后的m值,重复上述实验F.分析每条纸带,测量并计算出加速度的值G.作a-m关系图像,并由图像确定a与m的关系①甲同学漏掉的重要实验步骤是

,该步骤应排在步骤

之后。

②在上述步骤中,有错误的是步骤

,应把

改为

。

③在上述步骤中,处理不恰当的是步骤

,应把

改为

。

(2)乙同学根据实验要求安装的实验装置如图乙所示(图为已接通电源刚要释放纸带的情况),请改正乙同学的五个错误。①电源

;

②电磁打点计时器位置

;

③滑轮高度

;

④小车位置

;

⑤长木板

。

答案:(1)①平衡摩擦力

B

②D电压为8V的蓄电池工作电压约为8V的交变电源

③G

a-m图像

a-图像(2)①应用工作电压约为8V的交变电源

②应靠右端

③应使细绳平行于木板

④应靠近打点计时器

⑤应垫高右端以平衡摩擦力解析:(1)实验中把小桶及其中沙子的重力之和看成与小车所受拉力大小相等,没有考虑摩擦力,故必须平衡摩擦力且应排在步骤B之后。电磁打点计时器接在蓄电池上将无法工作,必须接在工作电压约为8

V的交变电源上。作a-m关系图像,得到的是曲线,很难进行正确的判断,必须“化曲为直”,改作a-

关系图像。(2)电磁打点计时器应使用工作电压约为8

V的交变电源,且要固定在长木板无滑轮的一端,即应靠右端;释放小车时,小车应靠近打点计时器;连接小车的细绳应平行于木板,故应调节滑轮高度使细绳平行于木板;实验时应平衡摩擦力,使小车所受重力沿木板方向的分力与小车所受摩擦力平衡,故应垫高长木板右端以平衡摩擦力。

此题考查

F一定时,探究小车的加速度a与小车(含砝码)质量m的关系,意在考查实验操作、注意事项等实验探究能力。拉力的测量:在砝码盘和砝码的总质量远小于小车质量的情况下,可以认为砝码盘和砝码的总重力近似等于小车所受的拉力(合外力)。【例题2】

在探究加速度与力、质量的关系的实验中,某次实验测得如下数据:m一定时,a与F的关系见表1;F一定时,a与

的关系见表2。表1F/N1.002.003.004.00a/(m·s-2)1.903.955.857.62二、实验数据的处理表2(1)在如图所示的相应坐标系中,根据表1、表2所给数据作出图像。答案:(1)图像如图所示(2)a-m图像是曲线,难以找出规律;a-图像是直线,容易找出规律。解析:清楚a-F图像及a-图像的性质,便于正确作图。此题探究加速度与力、质量的关系,意在培养数据处理等科学探究能力。实验数据的处理方法——图像法、“化曲为直”法(1)研究加速度a和力F的关系。以加速度a为纵坐标,力F为横坐标,根据测量数据描点,然后作出图像,如图所示,若图像是一条通过原点的直线,就能说明a与F成正比。(2)研究加速度a与质量m的关系。如图甲所示,因为a-m图像是曲线,检查a-m图像是不是双曲线,就能判断它们之间是不是反比例关系,但检查这条曲线是

【例题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,放在带有定滑轮的木板上(事先通过调节木板与水平面间的夹角来抵消摩擦力的影响),前端各系一条细绳,绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘里放有砝码。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,两小车同时停止运动。三、创新型实验(1)用刻度尺测出两小车的位移,位移之比就等于它们的

之比。

(2)为了探究加速度大小和力大小之间的关系,应保持两个

(选填“小车”或“小盘和砝码”)的质量相等。

(3)为减小误差,应使小盘和砝码的总质量尽可能

(选填“小于”“等于”或“大于”)小车质量。

答案:(1)加速度(2)小车(3)小于解析:(1)根据初速度为零的匀变速直线运动位移时间关系x=at2,两小车运动时间相等,位移与加速度成正比。(2)根据控制变量法,要探究加速度和力之间的关系,需要小车的质量保持不变,即两小车质量相等。(3)实验中用小盘和砝码的重力作为小车受到的拉力。只有在小盘和盘中砝码的质量远远小于小车的质量时,绳对小车拉力的大小近似等于小盘和盘中砝码的重力。此题是采用控制变量法探究加速度和力之间关系的创新实验,逐步培养科学探究能力。1.控制变量法:当研究多个物理量的变化规律时,为了简便,可设计保持其他物理量不变,只研究剩余两个变化物理量的关系,这种方法叫作控制变量法。两个相同的小车放在光滑水平面上,前端各系一条细绳,绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘中各放数目不等的砝码,就可以验证质量一定的条件下,加速度与力的关系。2.对比实验法:对比实验法在物理实验中经常用到。两小车后端各系一条细绳,两细绳一起被一个夹子夹着而使小车静止(如图所示)。打开夹子,两小车同时开始运动,关上夹子,两小车同时停下来。用刻度尺测出两小车通过的位移,位移之比就等于它们的加速度之比。课堂小结随堂练习1.(实验原理)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。

(4)实验数据处理的科学方法:

。

(5)由a-m车图像转化为a-图像,所用的科学方法:

。(以上各题均选填“理想实验法”“图像法”“阻力补偿法”“化曲为直法”“控制变量法”或“近似法”)

答案:(1)阻力补偿法

(2)控制变量法(3)近似法

(4)图像法

(5)化曲为直法解析:(1)由于小车运动受到摩擦阻力,所以要平衡摩擦力,用阻力补偿法减小实验误差。(2)在探究加速度、力与质量三者之间的关系时,先保持其中一个量不变,来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。(4)通过图像研究实验的结果,称为图像法。(5)在作图时,由a-m图像转化为a-图像,使图线由曲线转化为直线,称为化曲为直法。2.(数据处理)用如图所示的实验装置研究小车质量一定的情况下,加速度与力的关系。主要实验步骤如下:A.如图所示,安装实验器材;B.调节轨道的倾角,轻推小车,使小车恰能做匀速直线运动;C.在小桶内放入适量细沙,测出小桶和沙的总质量;D.将小车放于靠近打点计时器处,将小桶通过细绳挂在小车上,接通电源,释放小车,得到一条打好点的纸带;E.保持小车的质量不变,改变小桶及沙的质量,再做几次实验;F.在每条纸带上选取一段比较理想的部分,算出每条纸带的加速度a;G.将各次实验中的数据填入表中,作出a-F图像。结合上述实验步骤,完成下列任务:(1)在下列实验器材中,需要使用的有

和

(填选项前的字母)。

A.电压合适的50Hz交变电源B.电压可调的直流电源C.刻度尺D.停表(2)在步骤B中,通过调节垫块的位置,来调节轨道斜面的倾角,这样做的目的是

。

(3)利用纸带计算出小车的加速度,将计算结果填入表格。

序号小桶和沙总重力F/N加速度a/(m·s-2)10.050.1220.100.2430.150.3740.200.4750.250.60①以加速度a为纵轴、力F为横轴建立直角坐标系,在坐标纸上描点,如下图所示。请在该图中用“×”标出第5条纸带对应的坐标点,并画出a-F图像。②观察a-F图像,可以判断小车的加速度a与力F成

(选填“正比”或“反比”)。

③根据你完成实验的实际情况,a-F图像的斜率应与

有关。

答案:(1)A

C(2)平衡小车受到的摩擦力,使细线对小车的拉力即为小车受到的合力(3)①②正比③小车质量解析:(1)实验需要的器材有打点计时器需要的电压合适的50

Hz交变电源和用来测量纸