【志鸿优化系列】2014-2015学年高中物理 4.2实验：探究加速度与力和质量的关系（1）课件 新人教版必修1.ppt

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1、2 实验：探究加速度与力、质量的关系实验：探究加速度与力、质量的关系学点学点1 加速度与力的关系加速度与力的关系 (1)控制变量法控制变量法 在研究物体的加速度与它受的力、它的质量间的关系时，因为涉及到在研究物体的加速度与它受的力、它的质量间的关系时，因为涉及到三个物理量，为了研究问题的方便，可采取分别使一个量不变，而研究另三个物理量，为了研究问题的方便，可采取分别使一个量不变，而研究另外两个量之间关系的方法，这种方法叫做控制变量法。外两个量之间关系的方法，这种方法叫做控制变量法。(2)探究加速度与力的关系探究加速度与力的关系 实验思路：保持物体的质量实验思路：保持物体的质量m一定，测量物体在

2、不同力一定，测量物体在不同力F作用下的作用下的加速度加速度a，分析，分析a与与F的关系。的关系。实验数据的分析：设计如下的表格，记录数据。实验数据的分析：设计如下的表格，记录数据。在图在图4-2-1所示坐标上，作出所示坐标上，作出a-F图象。图象。分析图像，分析图像，若图象是过原点的直线，则若图象是过原点的直线，则aF 由此得出，在质量一定的情况下，加速度跟力成正比。由此得出，在质量一定的情况下，加速度跟力成正比。F/Na/(ms-2)图图4-2-1 学点学点2 加速度与质量的关系加速度与质量的关系 (1)保持物体所受的力保持物体所受的力F一定，测量不同质量一定，测量不同质量m的物体在力的物体

3、在力F作用下作用下的加速度的加速度a，分析，分析a与与m的关系。的关系。(2)实验数据的分析：设计如下的表格，记录数据。实验数据的分析：设计如下的表格，记录数据。猜想：猜想：F相同，相同，m越大，越大，a越小，是否是越小，是否是“a与与m”成反比或成反比或“a与与m2”成反比？成反比？从简单入手，若从简单入手，若a与与m成反比，则成反比，则a与与1/m成正比。所以，建立成正比。所以，建立a-1/m坐标系，作坐标系，作a-1/m图象，如图图象，如图4-2-2所示。所示。分析：若图象是过原点的直线，则分析：若图象是过原点的直线，则a与与m成反比。成反比。由图得，由图得，a与与1/m成正比，与成正比

4、，与m成反比。成反比。m/kga/(ms-2)图图4-2-2 注意：注意：作图象时，应使尽可能多的点在直线上，作图象时，应使尽可能多的点在直线上，不在直线上的点均匀分布于直线两侧，偏离太大的不在直线上的点均匀分布于直线两侧，偏离太大的点应舍弃掉。点应舍弃掉。【例例1】用如图用如图4-2-3所示的装置研究在作用力所示的装置研究在作用力F一定时，一定时，小车的加速度小车的加速度a与小车质量与小车质量M的关系，某位同学设计的关系，某位同学设计 的实验步骤如下：的实验步骤如下：A.用天平称出小车和小桶及内部所装砂子的质量；用天平称出小车和小桶及内部所装砂子的质量；B.按图装好实验器材；按图装好实验器材

5、；C.把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砂桶；把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砂桶；D.将电磁打点计时器接在将电磁打点计时器接在6 V电压的蓄电池上，接通电源，放开小车，电压的蓄电池上，接通电源，放开小车，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；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.保持小桶及其中砂子的质量不变，增加小车上的砝码个数，并记录保持小桶及其中砂子的质量不变，增加小车上的砝码个数，并记录 每次增加后的每次增加后的M值，重复上述实验；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；分析每条纸带，测量并计算出加速度的值；G.作作a-M关系图

6、象，并由图象确定关系图象，并由图象确定a-M关系。关系。(1)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_，该步骤应排在，该步骤应排在_步实验之后。步实验之后。(2)在上述步骤中，有错误的是在上述步骤中，有错误的是_，应把改为，应把改为_。(3)在上述步骤中，处理不恰当的是在上述步骤中，处理不恰当的是_，应把改为，应把改为_。图图4-2-3 (1)平衡摩擦力平衡摩擦力 B (2)D 6 V电压的蓄电压的蓄电池电池 6 V以下交流电压的学生电源以下交流电压的学生电源 (3)G a-M a-1/M 实验中把小桶及其中砂子的重力看做与小车所实验中把小桶及其中砂子的重力看做与小车所受拉力大小

7、相等，没有考虑摩擦力，故必须平衡摩擦力。受拉力大小相等，没有考虑摩擦力，故必须平衡摩擦力。电磁打点计时器接在电磁打点计时器接在6 V电压的蓄电池上将无法工作，必电压的蓄电池上将无法工作，必须接在须接在6 V以下交流电压的学生电源上。作以下交流电压的学生电源上。作a-M关系图象，关系图象，得到的是双曲线，很难作出正确的判断，必须得到的是双曲线，很难作出正确的判断，必须“化曲为化曲为直直”，改作，改作a-1/M关系图象。关系图象。1.在探究在探究a与与F、m关系的实验中，下列说法中正确的是关系的实验中，下列说法中正确的是()A.平衡摩擦力时，小桶应用细线通过定滑轮系在小车上，平衡摩擦力时，小桶应用

8、细线通过定滑轮系在小车上，但小桶内不能装砂子但小桶内不能装砂子 B.实验中无需始终保持小车和砝码的质量远远大于砂子和实验中无需始终保持小车和砝码的质量远远大于砂子和 小桶的质量小桶的质量 C.实验中如用纵坐标表示加速度，用横坐标表示小车和车实验中如用纵坐标表示加速度，用横坐标表示小车和车 内砝码的总质量，描出相应的点在一条直线上时，即可内砝码的总质量，描出相应的点在一条直线上时，即可 证明加速度与质量成反比证明加速度与质量成反比 D.平衡摩擦力时，小车后面的纸带必须连好，因为运动过平衡摩擦力时，小车后面的纸带必须连好，因为运动过 程中纸带也要受到阻力程中纸带也要受到阻力D学点学点3 制定实验方

9、案和实验数据的处理制定实验方案和实验数据的处理 (1)本实验有三个需测量的物理量：本实验有三个需测量的物理量：a、F、m。质量可用天平测量。质量可用天平测量,a与与F如何测量？如何测量？怎样测量怎样测量(或比较或比较)物体的加速度物体的加速度 a.若为初速度为零的匀加速直线运动，测量位移若为初速度为零的匀加速直线运动，测量位移x和时间和时间t，由，由a=2x/t2计算。计算。b.用打点计时器打纸带，由纸带上的点求出，根据用打点计时器打纸带，由纸带上的点求出，根据x=at2，测出，测出a。c.不测不测a的数值，测量不同情况下物体的加速度比值。的数值，测量不同情况下物体的加速度比值。若两个初速度为

10、零的匀加速运动，在相同时间若两个初速度为零的匀加速运动，在相同时间内位移为内位移为x1、x2，则，则 a1/a2=x1/x2图图4-2-4怎样提供和测量物体所受的恒力怎样提供和测量物体所受的恒力下面是一种方法：下面是一种方法：如图如图4-2-4所示，取两个质量相同的小车放所示，取两个质量相同的小车放在光滑水平面上，小车的前端各系上细绳，在光滑水平面上，小车的前端各系上细绳，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，(2)实验的数据处理可以采用计算法和图象法两种不同的方法实验的数据处理可以采用计算法和图象法两种不同的方法计算法：计算法：测得加速度或加速度之比测得加速度或

11、加速度之比(等于位移之比等于位移之比)后，通过计算后，通过计算看看是否满足看看是否满足a1/a2=F1/F2、a1/a2=m2/m1。图象法：图象法：测得加速度后，以拉力测得加速度后，以拉力F为横坐标、加速度为横坐标、加速度a为纵坐标，为纵坐标，描绘描绘a-F图象，看看图象是否为过原点的倾斜直线；以图象，看看图象是否为过原点的倾斜直线；以1/m为横坐标，加为横坐标，加速度速度a为纵坐标，描绘为纵坐标，描绘a-1/m图象图象(想想看，为什么不是描绘想想看，为什么不是描绘a-m图象图象)，看，看看图象是否为过原点的倾斜直线。或者在测得加速度之比看图象是否为过原点的倾斜直线。或者在测得加速度之比(等

12、于位移之比等于位移之比)后，以两车拉力之比后，以两车拉力之比F2/F1为横坐标、加速度之比为横坐标、加速度之比a2/a1为纵坐标，描绘为纵坐标，描绘图象，看看图象是否为过原点的倾斜直线；以质量之比图象，看看图象是否为过原点的倾斜直线；以质量之比m1/m2为横坐标、为横坐标、加速度之比加速度之比a2/a1为纵坐标，描绘图象，看看图象是否过原点的倾斜直线。为纵坐标，描绘图象，看看图象是否过原点的倾斜直线。盘中放有数目不等的砝码，使两个小车自静止开始在不同拉力作用下匀盘中放有数目不等的砝码，使两个小车自静止开始在不同拉力作用下匀加速运动，小车所受拉力加速运动，小车所受拉力F的大小可以认为等于砝码和盘

13、所受重力的大的大小可以认为等于砝码和盘所受重力的大小小(保证小车质量比砝码和盘质量大得多保证小车质量比砝码和盘质量大得多)，小车后端系上细绳，用一只，小车后端系上细绳，用一只夹子夹住，以同时控制两小车，使两车同时运动，同时停止，分别测出夹子夹住，以同时控制两小车，使两车同时运动，同时停止，分别测出两小车的位移两小车的位移x和受力和受力F的大小，据的大小，据x=(1/2)at2知，在时间知，在时间t相同的前提下，相同的前提下，xa，通过实验分析从而得出，通过实验分析从而得出a与与F的关系。的关系。提示提示：利用图象处理数据的优点：利用图象处理数据的优点：(1)直观地看出两个物理量间直观地看出两个

14、物理量间的关系；的关系；(2)有效减小实验误差，并排除实验中的错误数据。有效减小实验误差，并排除实验中的错误数据。(3)结论结论当当m不变时，得到的不变时，得到的a-F图象如图图象如图4-2-5所示。所示。图象表明：当图象表明：当m一定时，在误差范围内，一定时，在误差范围内，a与与F成正比。成正比。当当F不变时，得到的不变时，得到的a-1/m图象如图图象如图4-2-5乙所示。乙所示。图象表明：当图象表明：当F一定时，在误差范围内，一定时，在误差范围内，a与与m成反比。成反比。图图4-2-5 (1)打点计时器必须使用交流电源，不能使用干电池；为保证细绳打点计时器必须使用交流电源，不能使用干电池；

15、为保证细绳对小车的拉力作为小车所受的合力，实验前必须平衡摩擦力，该装置却没对小车的拉力作为小车所受的合力，实验前必须平衡摩擦力，该装置却没有平衡摩擦力；为了在纸带上打下更多的点，实验时小车的初始位置离打有平衡摩擦力；为了在纸带上打下更多的点，实验时小车的初始位置离打点计时器不可太远。点计时器不可太远。(2)可用逐差法求加速度为可用逐差法求加速度为a=(x34-x12)/(4T2)=(4.04-1.63)-1.63 10-2/(40.12)m/s2=0.195 m/s2。【例例2】用如图用如图4-2-6所示的装置，探究所示的装置，探究“加速度与加速度与 力、质量的关系力、质量的关系”的实验中。的

16、实验中。(1)某同学在接通电源进行实验之前，将实验某同学在接通电源进行实验之前，将实验 器材组装如图器材组装如图4-2-6所示。所示。请你指出该装置中错误或不妥请你指出该装置中错误或不妥 之处：之处：_ _ _。(2)改正实验装置后，该同学顺利地完成了实改正实验装置后，该同学顺利地完成了实 验。图验。图4-2-7是他在实验中得到的一条纸带，是他在实验中得到的一条纸带，图中相邻两计数点之间的时间间隔为图中相邻两计数点之间的时间间隔为0.1 s，由图中的数据可算得小车的加速度由图中的数据可算得小车的加速度 a=_m/s2。应接交流电源；实验中没有平衡小车的摩擦力；小车的初始位置应接交流电源；实验中

17、没有平衡小车的摩擦力；小车的初始位置离打点计时器太远离打点计时器太远图图4-2-6图图4-2-70.195打点计时器工作时不应接干电池，打点计时器工作时不应接干电池，2.为了探究加速度与力、质量的关系，现提供为了探究加速度与力、质量的关系，现提供 如图如图4-2-8所示的器材：所示的器材：A为小车，为小车，B为电火为电火 花计时器，花计时器，C为装有砝码的小桶，为装有砝码的小桶，D为一端为一端 带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳 对小车的拉力对小车的拉力F等于砝码和小桶的总质量。等于砝码和小桶的总质量。请思考探究思路并回答下列问题：请思考探究思路并回答

18、下列问题：(1)为了消除小车与水平木板之间摩擦力的影响应采取什么做法？为了消除小车与水平木板之间摩擦力的影响应采取什么做法？_。(2)在探究加速度与质量的关系时，保持砝码和小桶的质量不变，改变小在探究加速度与质量的关系时，保持砝码和小桶的质量不变，改变小 车的质量车的质量m，分别得到小车的加，分别得到小车的加 速度速度a与质量与质量m的数据如下表。的数据如下表。图图4-2-8图图4-2-9根据上述实验数据，用计算机绘出根据上述实验数据，用计算机绘出a-m图象如图图象如图4-2-9所示。所示。序号序号12345小车的加小车的加速度速度a/(ms-2)0.780.380.250.200.16小车的

19、质小车的质量量m/kg0.200.400.600.801.00(1)把木板的右端把木板的右端(或安装电火花计时器的那或安装电火花计时器的那端端)适当垫高，以平衡摩擦力适当垫高，以平衡摩擦力 (2)如图所示如图所示(3)实验前未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充实验前未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分分通过对图通过对图4-2-9的观察，可猜想在拉力的观察，可猜想在拉力F一定的情况下，一定的情况下，a与与m的关的关系可能是系可能是:am-1、am-2、am-3，为了验证猜想，请在图，为了验证猜想，请在图4-2-9乙乙中作出最能直观反映中作出最能直观反映a与与m之间关系的图象。之间关系的图象。图图4-2-10(

20、3)在探究加速度与力的关系时，保持小车的在探究加速度与力的关系时，保持小车的质量不变，改变小桶中砝码的质量，该同学根据质量不变，改变小桶中砝码的质量，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与力与力F的图线如图的图线如图4-2-10所示，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通所示，该图线不通过坐标原点，试分析图线不通过坐标原点的原因是过坐标原点的原因是_。2.在在“探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系”的实验中，备有下列器材：的实验中，备有下列器材：A.电火花计时器；电火花计时器；B.天平；天平；C.秒表；秒表；D.交流电源；交流电源；E.电池；电池；F.纸带；纸带；

21、G.细细绳、砝码、钩码、滑块绳、砝码、钩码、滑块(可骑在气垫导轨上可骑在气垫导轨上)；H.气垫导轨气垫导轨(一端带定滑轮一端带定滑轮)；I.毫米刻度尺；毫米刻度尺；J.小型气泵。小型气泵。(1)实验应选用的器材有实验应选用的器材有_；实验研究的对象；实验研究的对象_ _。(2)本实验分两大步骤进行：本实验分两大步骤进行：_；_。1.某学生在做某学生在做“探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系”的实验时，在平衡摩擦力的实验时，在平衡摩擦力时把长木板的一端垫得过高，使得倾角偏大。他所得到的时把长木板的一端垫得过高，使得倾角偏大。他所得到的a-F关系图象应关系图象应是下列哪一个？是下列

22、哪一个？(a是小车的加速度，是小车的加速度，F是细线作用于小车的拉力是细线作用于小车的拉力)()C研究研究F一定时一定时a与与m的关系的关系ABDFGHIJ骑在气垫导骑在气垫导轨上的滑块轨上的滑块研究研究m一定时一定时a与与F的关系的关系3.用斜面、小车、小盘、砝码、打点计时器等做用斜面、小车、小盘、砝码、打点计时器等做“探究加速度与力、质探究加速度与力、质量的关系量的关系”的实验中，得到如图的实验中，得到如图4-2-11所示的纸带，相邻计数点间的时所示的纸带，相邻计数点间的时间间隔为间间隔为T，且，且x1、x2、x3、x6已测量出。已测量出。(1)a=(x6+x5+x4)-(x3+x2+x1

23、)/(9T2)(2)没有平衡摩没有平衡摩擦力或平衡摩擦力时，木板与水平面的夹角过小，即平擦力或平衡摩擦力时，木板与水平面的夹角过小，即平衡摩擦力不足衡摩擦力不足 (3)两小车以及小车上的砝码质量不同，两小车以及小车上的砝码质量不同，且且m乙乙m丙丙(1)请写出计算加速度的表达式。请写出计算加速度的表达式。(2)图图4-2-12(a)为甲同学根据测量数据画出的为甲同学根据测量数据画出的a-F图象，则甲在实验中存图象，则甲在实验中存 在的问题是在的问题是_。(3)乙、丙同学用同一装置进行实验，画出了各自得到的乙、丙同学用同一装置进行实验，画出了各自得到的a-F图象如图图象如图4-2-12(b)所示，说明两个同学做实验时的哪一个物理量的取值不同？所示，说明两个同学做实验时的哪一个物理量的取值不同？并比较其大小。并比较其大小。图图4-2-12图图4-2-11