教科版高中物理必修第一册第4章牛顿运动定律第2节探究加速度与力、质量的关系课件

第2节探究加速度与力、质量的关系第四章内容索引0102自主预习·新知导学合作探究·释疑解惑03随堂练习课标定位1.学会用控制变量法探究物理现象。2.正确认识加速度与力、质量的关系。3.会用图像法分析处理实验数据。素养阐释1.经历实验操作和测量过程,体验平衡摩擦力、减小误差的操作方法,形成物理观念。2.运用不同的思路达到实验目的,借助图像分析处理数据,形成科学探究方法。3.将规律跟同学们分享并应用到生活中,培养科学态度与责任。自主预习·新知导学一、体验影响物体加速度的因素1.质量一定的物体,受力越大,获得的加速度越大。2.相同的力,施加在不同质量的物体上时,质量越小的物体获得的加速度越大。二、设计实验方案1.选择实验装置(1)小车放在一端带有定滑轮的长木板上,将长木板适当倾斜一定角度,使小车在不受拉力作用时能在木板上近似做匀速直线运动。此时,摩擦力与小车所受重力在平行于木板的方向上的分力平衡。(2)若让滑块在气垫导轨上运动,摩擦力很小,可以忽略不计。2.测量物体的质量及其所受的力(1)小车或滑块的质量可以用天平称量。(2)当物体即小车的质量(M)远大于托盘和砝码的总质量m时,可近似认为其所受拉力F=mg。3.测量受力物体运动的加速度(1)利用打点计时器和纸带测量物体运动的加速度在纸带上每5个点取一个计数点,利用匀变速直线运动的规律求出加速度。(2)利用光电门测加速度测定小车通过光电门间的距离l(或时间t)及遮光板通过光电门的时间t1、t2,利用运动学的关系,可间接求出小车的加速度。4.实验操作与数据处理以图像的方式处理数据(1)质量不变:以a为纵坐标,F为横坐标,作出a-F图像。5.实验结论根据日常经验和观察到的事实,猜想物体的加速度与它所受的力及它的质量的关系为:加速度与力成正比、与质量成反比。合作探究·释疑解惑【例题1】

某实验小组在探究加速度与物体受力的关系的实验中,设计了如图(a)所示的实验装置。已知小车质量M=214.6g,砝码盘质量m0=7.8g,所使用的打点计时器的打点频率f=50Hz。其实验步骤是(

)A.按图(a)所示安装好实验装置;B.调节长木板的倾角,轻推小车后,使小车能沿长木板向下做匀速运动;C.取下细绳和砝码盘,记下砝码盘中砝码的质量m;D.将小车置于打点计时器旁,先接通电源,再放开小车,打出一条纸带,由纸带求得小车的加速度a;E.重新挂上细绳和砝码盘,改变砝码盘中砝码的质量,重复B~D步骤,求得小车在不同合外力F作用下的加速度。回答下列问题:(a)(b)(c)(1)按上述方案做实验,是否要求砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量?

(选填“是”或“否”)。

(2)实验中打出的其中一条纸带如图(b)所示,由该纸带可求得小车的加速度a=

m/s2(保留2位有效数字)。

(3)某同学将有关测量数据填入他所设计的表格中,如下表:他根据表中的数据画出a-F图像,如图(c)所示,造成图线不过坐标原点的一条最主要原因是

。

A.摩擦力平衡不足B.摩擦力平衡过度C.未考虑砝码盘质量的因素D.砝码和砝码盘的总质量过大答案:(1)否

(2)0.88

(3)C解析:(1)当小车匀速下滑时,有mgsinθ=f+(m+m0)g,当取下细绳和砝码盘后,由于重力沿斜面向下的分力mgsinθ和摩擦力f不变,因此其合外力为(m+m0)g,由此可知该实验中不需要砝码和砝码盘的总质量远小于小车的质量。(2)在匀变速直线运动中连续相等时间内的位移差为常数,即Δx=aT2,将Δx=(7.75+8.64)×10-2

m-(6.00+6.87)×10-2

m=3.52×10-2

m,T=0.2

s代入解得a=0.88

m/s2。(3)由图像可知,当外力为零时,物体有加速度,这说明在计算小车所受的合外力时未计入砝码盘的重力,根据数学函数关系可知由该图线延长线与横轴的交点即可求出砝码盘的重力大小。故C正确。一、实验操作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.按下图将实验器材安装好(小车上不系绳)。3.平衡摩擦力,在木板无滑轮的一端下面垫一薄木块,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,在纸带上标上号码及此时所挂重物的重力m0g。5.保持小车的质量不变,改变所挂重物的重力,重复步骤4,多做几次实验,每次小车从同一位置释放,记录好重物的重力m1g、m2g…并计算出相应纸带的加速度填入表1。表1

物体的质量一定,加速度与受力的关系

6.保持托盘中所放重物的质量不变,在小车上加放砝码,测出小车与所放砝码的总质量M,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,计算出每次实验所得纸带的加速度值及小车与砝码的总质量填入表2。表2

物体受到的外力一定,加速度与质量的关系二、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,不管以后是改变重物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.小车和车上砝码的总质量要远大于重物和小盘的总质量。这样,重物和小盘的总重力才可视为小车受到的拉力。3.每次实验时,小车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电源,再放开小车,且在小车到达滑轮前用手按住小车,以免小车撞击滑轮。4.作图像时,要使尽可能多的点落在直线上,不在直线上的点应尽可能对称分布在直线的两侧,个别偏差很大的点应舍去。【变式训练1】

(1)我们已经知道,物体的加速度a同时跟合外力F和质量m两个因素有关,研究这三个物理量之间定量关系的思想方法是

。A.理想模型法

B.等效替代法C.控制变量法

D.倍分法(2)某同学在研究小车的加速度与外力关系的探究实验中,使用的装置如图所示。他将光电门固定在长木板上的某点B,用不同重物拉同一质量的小车,每次小车都从同一位置A由静止释放。①为了使重物的重力近似等于小车所受的合外力,下列操作正确的是(

)A.用水平仪调整木板,使木板水平B.用小木块将长木板无滑轮的一端垫高,使小车无拉力作用时做匀速直线运动C.增加小车的质量,使小车的质量远大于重物的质量D.调整定滑轮高度,使细线保持水平②若遮光板的宽度为d,由数字计时器读出遮光板通过光电门的时间为t,用刻度尺测量出光电门到小车出发点之间的距离为s,则计算小车加速度大小的表达式为a=

(各量均用字母表示);

(3)保持小车质量不变,改变重物的质量,进行多次测量。根据实验数据作出加速度a随拉力F的变化图线,如图所示。图中直线没有通过原点的主要原因是

。

解析:(1)研究这三个物理量之间的定量关系的思想方法是控制变量法,即先保持m不变,研究a与F的关系;再保持F不变,研究a与m的关系,故C正确。(2)①为了使重物的重力近似等于小车受到的合外力,必须有两个关键步骤,一是平衡摩擦力,使细绳的拉力等于小车所受的合外力,即用小木块将长木板无滑轮的一端垫高,使小车无拉力作用时做匀速直线运动;二是使小车的质量远大于重物的质量,使重物的重力近似等于细绳的拉力,故B、C正确。(3)图中直线没有通过原点,即小车刚受拉力作用时,加速度仍然为0,说明没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。【例题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,图(a)为实验装置简图。(交变电流的频率为50Hz)(a)(b)(1)图(b)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。(保留2位有效数字)

(2)保持沙和沙桶质量不变,改变小车质量m进行实验,所测数据见下表:请在图(c)给出的坐标纸中画出a-图线,并根据图线判定小车加速度a与质量的倒数

之间的关系是

。

(c)(3)保持小车质量m不变,改变沙和沙桶质量M进行实验,根据实验数据作出的加速度a随合力F变化的图线如图(d)所示。该图线不通过原点,其主要原因是

。

(d)答案:(1)3.2

(2)见解析图

正比关系

(3)未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分解析:(1)根据纸带数据可知Δx=(7.72+7.21)×10-2

m-(6.70-6.19)×10-2

m=2.04×10-2

m,T=4×0.02

s=0.08

s,所以(3)根据图线可知,当拉力F增加到某一值时,小车才具有加速度,所以小车还受到较大的摩擦力影响。一、数据处理1.探究加速度与力的关系:以拉力F为横坐标,加速度a为纵坐标,根据用逐差法求出的加速度描点,描绘a-F图像,看图像是否为过原点的倾斜直线,若是则说明a与F成正比。2.探究加速度与质量的关系:以

为横坐标,加速度a为纵坐标,描绘a-图像(如果作a-M图像,那么得到的图形是双曲线,不便于分析图像,而作a-图像,则得到一条直线,便于分析),看图像是否为过原点的倾斜直线,若是则说明a与M成反比。二、误差分析

【变式训练2】

某同学利用图(a)所示的实验装置,探究加速度与物体受力、物体质量的关系。实验中打点计时器电源的频率为50Hz。(a)(b)(c)(d)(1)释放小车前,小车应

(选填“靠近”或“远离”)打点计时器。

(2)图(b)是某次实验中打出的纸带,每两个计数点间还有四个点没有标出,根据相关数据,求得打这条纸带时小车的加速度是

m/s2。

(3)小明在探究加速度与物体受力的关系时,第一次用质量为200g的小车,第二次用质量为400g的小车做实验,得到了a-F图像如图(c)所示,其中第一次做实验对应的图像是图线

。

(4)探究加速度与物体质量的关系时,某同学采集到若干组实验数据如下表,请选择适当的物理量为坐标轴,在图(d)中作出图像。答案:(1)靠近

(2)1.0

(3)Ⅰ(4)如图所示解析:(1)为了能在纸带上多打一些点,小车释放前应靠近打点计时器。(2)根据逐差公式可得,打这条纸带时小车的加速度为(3)探究加速度与物体受力、物体质量的关系时应满足小车的质量远远大于盘和钩码的质量,第一次实验时小车的质量较小,当增大盘和砝码质量时,到最后不再满足小车的质量远远大于盘和钩码的质量的条件,故第一次做实验对应的图像是图线Ⅰ。(4)从表格数据可知,质量与加速度的乘积几乎相等,由此猜测,加速度与质量成反比,可以以加速度为纵轴,质量的倒数为横轴描点作出图像。随堂练习1.(实验步骤及操作)如图所示,在探究小车加速度与力和质量的关系的实验装置中,小车的质量为M,沙和小桶的质量为m,小车放在一端带有定滑轮的长木板上并通过纸带与电磁打点计时器相连。下列说法正确的是(

)

A.实验时先释放小车,再接通打点计时器的电源B.每次改变小车质量时,应重新平衡摩擦力C.本实验中应满足m远小于M的条件D.在用图像法探究小车加速度与受力的关系时,应作a-M图像答案:C解析:实验时应先接通打点计时器的电源,再释放小车,故A错误;改变小车质量时,不需要重新平衡摩擦力,故B错误;当M与m的大小关系满足m≤M时