（2021新人教版）高中物理必修第一册4.2 实验探究加速度与力、质量的关系ppt课件+素材.zip

4.2实验实验:探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系 第四章 运动和力的关系 学科素养与目标要求 1.学会用控制变量法研究物理规律. 2.会测量加速度、力和质量，能作出物体运动的aF、a 图像. 3.能通过实验数据及图象得出加速度与力、质量的关系. 科 学 探 究 ： 讨论并猜想：物体运动状态变化的快慢和什么有关 ？ 1、质量 2、受力 例如：空载汽车从静止加速到100 km/h，只需十几秒 的时间，而满载的货车加速就慢的多。 例如：竞赛用的小汽车，质量不很大，却安装着强 大的发动机，可以获得很大的加速度。 猜想：物体的加速度与力、质量有什么定量关系？ 控制变量法 “a”与“F”、“m” 二个物理量均有关系，应该从何处入手呢？对于多变量 问题我们常常采用的方法是什么？ 一是保证质量不变，探究加速度与外力的关系； 二是保证外力不变，探究加速度与质量的关系。 研究方法 一.实 验 探 究 那我们需要测量那些物理量？如何测量，有什么好的方案呢 ？ 测质量 加速度 合力 思考：质量、力与加速度分别如何测量？ 质 量 天平 恒 力 ？ 加速度 ？ 方案一 利用小车木板 以小车、打点计时器、纸带、一端带滑轮的长木板、细线、砝码、钩码、 刻度尺、天平为器材，研究小车运动。 二.实验方案 从打点计时器打 出的纸带计算出 小车的加速度a 砝码的总重力G当作 小车受到的拉力F 用天平测出 小车的质量m 加速度的测量 方法1：让小车做初速度为0的匀加速直线运动。用刻度尺测量小车 的位移x，用秒表测量小车运动的时间t，由a 计算加速度a。 方法2：利用打点计时器打出的纸带测量加速度a。 方法3：让两个小车做初速度为0的匀加速直线运动，在相等的时间 内，由x at2知 ，测量加速度转换成测量位移。 力的测量 用阻力补偿法平衡摩擦力后，通过改变槽码的个数，改变小车所受的拉 力。 思考：小车在运动方向上受几个力的作用？ 细绳对小车的拉力等于小车所受的合力吗？ 思考：如何平衡摩擦力？ 如图一个木块正在倾角为为的三角斜面上匀速下滑，试 求斜面的动摩擦因数和的关系。 思考：如果物体的质量变化是否还需要再次平衡摩擦力？ N Gcos Gsin G N Ff 所以： 思考：如果此时给物体加上一个沿斜面向下的力F，那物体现在受到的 合外力是多少？ N F 改进后的实验装置图 ： 纸带 打点计时器 电源 砝码 小车 把木板一端垫高，平平 衡小车受到的摩擦力衡小车受到的摩擦力 思考：绳子的拉力等于钩码(或者沙桶）的重力吗？为什么？ 不等于！因为钩码向下加速，所以绳子的拉力小于钩码的重力。 思考：什么情况下钩码（或者沙桶）重力可以近似等于绳子拉力， 即小车所受的合外力？ 当钩码（或者沙桶）质量比小车质量小得多时，绳子的拉力近似等 于砝码的重力，即小车受到合外力近似等于砝码的重力。 三三.实验步骤实验步骤 1.安装器材：按如图所示将实验器材安装好(小车上不系绳)。 2.用天平分别称出小车和槽码的质量。 3.阻力补偿：把木板无滑轮的一端下面垫一薄木板，反复移动其位置， 使小车在不挂槽码的情况下，能沿木板做匀速直线运动(纸带上相邻 点的间距相等),即平衡了摩擦力。 4.把小车停在打点计时器处，挂上槽码，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编号及此时所挂槽码总重力mg。注意操作 先后顺序先后顺序 5.加速度与力的关系：保持小车的质量不变，改变槽码的个数，重复步骤 4，多做几次实验，并记录好相应纸带的编号及所挂槽码的总重力。 6.加速度与质量的关系 (1)保持小车所受的合外力不变，在小车上加砝码，接通电源后放开小车 ，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及小车 和砝码的总质量m1。 (2)继续在小车上增加砝码，重复步骤(1)，多做几次实验，在每次实验得 到的纸带上标上编号及小车和砝码的总质量m2、m3。 7.求小车的加速度a，将得到的数据填入相应表格中，以便进行数据处理。 四.实验过程 小窗口播放小窗口播放 五、数据处理五、数据处理 1.保持物体的质量不变，测量物体在不同的力作用下的加速度，分析加速度与力的关 系，把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中： 以a为纵坐标、F为横坐标，根据数据作aF图像，通过拟合测量点，作出图像找 出规律，分析a与F的关系。 物理量物理量123456 作用力作用力F 加速度加速度a F a O 结论：aF 2.保持物体所受的力相同，测量不同质量的物体在该力作用下的加速度，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。 研究加速度a与质量m的关系如图所示，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 曲线是不是双曲线，相当困难 a 0m 图像处理技巧 a O m m 1 若a和m成反比，则a与 必成正比，我们采取“化曲为直”的方法以a为 纵坐标，以 为横坐标，作出 图像，若图像是一条直线，说明a 与 成正比，即a与m成反比. 结论： a 方案二： 由于两小同时启动、同时停止，故运 动时间相同 比较法 转化为 测位移 小窗口播放 光电门 数字计时器 方案三：利用气垫导轨 光电门1 光电门2挡光板 x x t 利用气垫导轨来探究加速度与力、质量的关系 小窗口播放 六、实验结论六、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.保持力F不变时，物体的加速度a与质量m成反比。 六、误差分析六、误差分析 1.系统误差：本实验用槽码的总重力mg代替小车受到的拉力，而实际上小车所受的拉 力要小于槽码的总重力。槽码的总质量越接近于小车的质量，误差越大；反之，槽 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，满足槽码的总质量 远小于小车的质量就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差。 2.偶然误差：阻力补偿不准确、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都会引起误差。 七、注意事项七、注意事项 1.阻力补偿时不要挂重物，整个实验阻力补偿后，不管以后是改变槽码的质量还是改 变小车及砝码的质量，都不需要重新阻力补偿。 2.实验中必须满足小车和砝码的总质量 槽码的总质量。 此时可认为槽码的重力近似等于绳的拉力此时可认为槽码的重力近似等于绳的拉力 3.改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电 源，待打点稳定后，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。 远大于远大于 例1 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车远远大于m法时，细绳对小车的拉力大小近似等 于法码重力m法g； (4)实验数据处理的科学方法： _； 【牛刀小试】要点讲解 解解析析(1)由由于于小小车车运运动动受受到到摩摩擦擦阻阻力力，所所以以要要进进行行阻阻力力补补偿偿，以以减减小小实实验验误误 差，称为阻力补偿法。差，称为阻力补偿法。 (5)由aM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”) (2)在在探探究究加加速速度度与与力力、质质量量的的关关系系时时，先先保保持持其其中中一一个个量量不不变变，来来探探究究其其 他两个量之间的关系，称为控制变量法。他两个量之间的关系，称为控制变量法。 (3)当当小小车车质质量量M车车远远大大于于m法法时时，细细绳绳对对小小车车的的拉拉力力大大小小近近似似等等于于槽槽码码重重力力m 法法g，称为近似法。，称为近似法。 (4)通过图像研究实验的结果，称为图像法。通过图像研究实验的结果，称为图像法。 答案答案(1)阻力补偿法阻力补偿法 (2)控制变量法控制变量法(3)近似法近似法 (4)图像法 (5)化曲为直法 (5)在作图时，由aM车图像转化为a 图像，使图线由曲线转化为直线，称 为化曲为直法。 F/N1.002.003.004.00 a/(ms 2) 1.903.955.857.62 表二 (1)在如图所示的相应坐标系中，根据表一、表二所给数据作出图像。 答案答案(1)如图所示如图所示 例例3 两两个个相相同同的的小小车车并并排排放放在在光光滑滑水水平平桌桌面面上上，小小车车前前端端系系上上细细线线，线线的的另另一一 端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘里分别放有不同质量的砝码(图甲)。小车所受 的水平拉力F的大小可以认为等于砝码(包括砝码盘)所受的重力大小。小车后端 也系有细线，用一只夹子夹住两根细线(图乙)，控制两辆小车同时开始运动和 结束运动。 解解析析实实验验过过程程中中，当当两两小小车车质质量量相相同同时时，砝砝码码(包包括括砝砝码码盘盘)重重力力越越大大，相相 同同时时间间内内位位移移越越大大，则则加加速速度度越越大大，进进行行实实验验时时会会发发现现，加加速速度度与与所所受受拉拉力力 成成正正比比；若若砝砝码码重重力力不不变变，即即拉拉力力不不变变时时，质质量量越越大大的的小小车车，相相同同时时间间内内位位 移移越越小小，即即加加速速度度越越小小，进进行行测测量量分分析析知知，加加速速度度与与质质量量成成反反比比。如如果果砝砝码码 (包括砝码盘包括砝码盘 )的重力的重力 G远小于小车的重力远小于小车的重力Mg时，时， G近似等于拉力近似等于拉力 F。 答案答案加速度与拉力成正比加速度与拉力成正比加速度与质量成加速度与质量成反比反比 GMg 总结提升总结提升两种实验研究方法两种实验研究方法 (1)控制变量法：当研究多个物理量间的变化规律时，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 小车放在水平木板上，前端各系一条细绳，绳的另一端跨过定滑轮与槽码相连，改变 槽码的数目进行多次实验，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，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。 要点三要点三创新方案设计创新方案设计 例例4 为为了了探探究究加加速速度度与与力力的的关关系系，使使用用如如图图所所示示的的气气垫垫导导轨轨装装置置进进行行实实验验，其其中中G1、 G2为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑块通过G1、G2光电门时，光束被遮 挡的时间t1、t2都可以被测量并记录。滑块连同上面固定的挡光片的总质量为M ，挡光片宽度为D，光电门间距离为s，牵引钩码的质量为m。回答下列问题。 (1)实验开始前应先调节气垫导轨下面的螺钉，使气垫导轨水平，在不增加其他仪器的 情况下，如何判定调节是否到位？ 答：_。 (2)若取M0.4 kg，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值不合适的一个是 _。 A.m15 g B.m215 g C.m340 g D.m4400 g (3)在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，其中求得的加速度的表达式为 ：_ (用t1、t2、D、s表示)。 解解析析(1)取取下下牵牵引引钩钩码码，滑滑块块放放在在任任意意位位置置都都不不动动；或或取取下下牵牵引引钩钩码码，轻轻推推 滑块，数字计时器记录的两个光电门的光束被遮挡的时间相等。滑块，数字计时器记录的两个光电门的光束被遮挡的时间相等。 (2)在在探探究究加加速速度度与与力力关关系系的的实实验验中中，当当钩钩码码的的质质量量与与滑滑块块连连同同上上面面固固定定的的挡挡 光光片片的的总总质质量量的的关关系系是是mM时时，才才能能近近似似认认为为钩钩码码受受到到的的重重力力等等于于滑滑块块受受到到 的拉力，故选项的拉力，故选项 D不合适。不合适。 答案答案见解析见解析 小 结 探究加速度与力、质量的关系 1.研究方法 ： 2.数据处理方法： 3.结论： 控制变量法 图像法 aF a 八.课后作业 1.课后习题 2.跟踪训练 谢谢聆听！ ！