新教材高中物理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课件新人教版必修第一册.pptx

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1、第四章第四章运动和力的关系运动和力的关系2实验实验:探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系一、实验思路一、实验思路要探究加速度与力、质量的关系要探究加速度与力、质量的关系,你认为应如何设计此实验你认为应如何设计此实验?需要测量哪些物理量需要测量哪些物理量?选用什么器材选用什么器材?答案答案:设计一个这样的实验装置设计一个这样的实验装置:将一个小车置于水平木板上将一个小车置于水平木板上,通过滑轮与槽码相连通过滑轮与槽码相连,小车可以在槽码的牵引下运动小车可以在槽码的牵引下运动.采用控制变量的方法采用控制变量的方法:先控制小车质量不变先控制小车质量不变,研究小车的加速研究小车的加速度

2、度a与力与力F的关系的关系;再控制小车受力再控制小车受力F不变不变,研究小车的加速度研究小车的加速度a与其质量与其质量m的关系的关系.如图所示如图所示,纸带穿过打点计时器纸带穿过打点计时器,为了消除阻力对小车的影为了消除阻力对小车的影响响,可将木板无滑轮的一端适当垫高一些可将木板无滑轮的一端适当垫高一些,用小车的重力的用小车的重力的分力来补偿它所受到的阻力分力来补偿它所受到的阻力(阻力补偿法阻力补偿法),调节木板的倾斜调节木板的倾斜程度程度,直到小车不挂槽码时能在长木板上做匀速运动为止直到小车不挂槽码时能在长木板上做匀速运动为止.当挂上槽码时当挂上槽码时,只要槽码的质量远小于小车的质量只要槽码

3、的质量远小于小车的质量,那么我那么我们可近似认为槽码所受的重力大小等于小车所受的合力的们可近似认为槽码所受的重力大小等于小车所受的合力的大小大小.增减槽码的个数可改变小车所受到的合力大小增减槽码的个数可改变小车所受到的合力大小.实验器材实验器材:打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、槽码、砝码、夹子、细绳、附有定滑轮的长木板、槽码、砝码、夹子、细绳、低压交变电源、导线、天平、刻度尺等低压交变电源、导线、天平、刻度尺等.二、进行实验二、进行实验案例案例11.用天平测出小车和槽码的质量分别为用天平测出小车和槽码的质量分别为m0、m0,并把数值并

4、把数值记录下来记录下来.2.按下图将实验器材安装好按下图将实验器材安装好.注意这时不把挂槽码用的细注意这时不把挂槽码用的细绳系在小车上绳系在小车上,即不给小车牵引力即不给小车牵引力.3.在长木板无滑轮的一端下面垫一木块在长木板无滑轮的一端下面垫一木块,以补偿小车受到的以补偿小车受到的阻力阻力.4.将槽码通过细绳系在小车上将槽码通过细绳系在小车上,接通电源放开小车接通电源放开小车,用纸带用纸带记录小车的运动情况记录小车的运动情况;取下纸带并在纸带上标上号码及此取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂槽码的重力时所挂槽码的重力m0g.5.保持小车的质量不变保持小车的质量不变,改变所挂槽码的个数改变所挂

5、槽码的个数,重复步骤重复步骤4,多多做几次实验做几次实验,并记录好相应纸带的号码及槽码的重力并记录好相应纸带的号码及槽码的重力.6.保持小车所受合力不变保持小车所受合力不变,在小车上加放砝码在小车上加放砝码,并测出小并测出小车和其上所放砝码的总质量车和其上所放砝码的总质量m1,接通电源放开小车接通电源放开小车,用纸用纸带记录小车的运动情况带记录小车的运动情况,取下纸带并在纸带上标上号码取下纸带并在纸带上标上号码,并记录小车和砝码总质量并记录小车和砝码总质量m1.7.继续在小车上加放砝码继续在小车上加放砝码,重复步骤重复步骤6,多做几次实验多做几次实验,在每在每次得到的纸带上标上号码次得到的纸带

6、上标上号码,并记录小车和砝码的总质量并记录小车和砝码的总质量m2、m38.处理纸带上打出的点来计算加速度处理纸带上打出的点来计算加速度,分析加速度与力、分析加速度与力、质量的关系质量的关系.案例案例21.如图所示如图所示,将两辆相同的小车放在水平木板上将两辆相同的小车放在水平木板上,前端各前端各系一条细线系一条细线,线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘中盘中可以放不同的重物可以放不同的重物.2.把木板一端垫高把木板一端垫高,避免阻力的影响避免阻力的影响.3.两小车后端各系一条细线两小车后端各系一条细线,用一个物体用一个物体(如黑板擦如黑板擦)把两把两条细线同时按

7、压在木板上条细线同时按压在木板上.4.抬起物体抬起物体(黑板擦黑板擦),两小车同时开始运动两小车同时开始运动;按下物体按下物体(黑板黑板擦擦),两小车同时停下来两小车同时停下来.用刻度尺测出两小车移动的位移用刻度尺测出两小车移动的位移x1、x2,从而得出加速度之比从而得出加速度之比.5.保持小车的质量不变保持小车的质量不变,改变盘中重物的质量改变盘中重物的质量,即改变小车即改变小车所受的合力所受的合力,重复步骤重复步骤4,多做几次实验多做几次实验,分析加速度与力的分析加速度与力的关系关系.6.在盘中重物相同的情况下在盘中重物相同的情况下,通过增减小车中的重物改变通过增减小车中的重物改变小车的质

8、量小车的质量,重复步骤重复步骤4,多做几次实验多做几次实验,分析加速度与质量分析加速度与质量的关系的关系.三、三、数据记录数据记录1.把同一小车在不同力作用下产生的加速度填在下表中把同一小车在不同力作用下产生的加速度填在下表中.实验次数实验次数加速度加速度a/(ms-2)小车受力小车受力F/N12342.把不同质量的小车在相同力作用下产生的加速度填在把不同质量的小车在相同力作用下产生的加速度填在下表中下表中.实验次数实验次数加速度加速度a/(ms-2)小车与砝码小车与砝码总质量总质量m/kg1234答案答案:如图所示如图所示五五、实验实验结论结论六六、注意事项注意事项1.平衡阻力时不要挂槽码平

9、衡阻力时不要挂槽码,平衡阻力后平衡阻力后,不管以后是改变槽不管以后是改变槽码的质量还是改变小车的质量码的质量还是改变小车的质量,都不需要重新平衡阻力都不需要重新平衡阻力.2.实验必须满足小车和砝码的总质量远大于槽码的总质量实验必须满足小车和砝码的总质量远大于槽码的总质量.只有如此只有如此,槽码的总重力才可视为与小车受到的拉力大小槽码的总重力才可视为与小车受到的拉力大小相等相等.3.作图像时作图像时,要使尽可能多的点落在所作直线上要使尽可能多的点落在所作直线上,不在直线不在直线上的点应尽可能地均匀分布在所作直线两侧上的点应尽可能地均匀分布在所作直线两侧,离直线较远离直线较远的点舍去的点舍去.4.

10、小车应靠近打点计时器小车应靠近打点计时器,且先接通电源再释放小车且先接通电源再释放小车.七、误差分析七、误差分析1.质量的测量、纸带上打点计时器打点间隔距离的测量质量的测量、纸带上打点计时器打点间隔距离的测量都容易出现误差都容易出现误差.2.因实验原理不完善造成误差因实验原理不完善造成误差.本实验中用槽码的总重力本实验中用槽码的总重力代替小车受到的拉力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于槽实际上小车受到的拉力要小于槽码的总重力码的总重力),存在系统误差存在系统误差.槽码的总质量越接近小车的槽码的总质量越接近小车的质量质量,误差就越大误差就越大;反之反之,槽码的总质量越小于小车的质量槽

11、码的总质量越小于小车的质量,误差就越小误差就越小.3.平衡摩擦力平衡摩擦力(补偿阻力补偿阻力)操作不当造成误差操作不当造成误差.在平衡摩擦在平衡摩擦力力(补偿阻力补偿阻力)时时,除了不挂槽码外除了不挂槽码外,其他的都跟正式实验其他的都跟正式实验一样一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器比如要挂好纸带、接通打点计时器),匀速运动的标匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上相邻两点的距离相等志是打点计时器打出的纸带上相邻两点的距离相等.命题角度命题角度1巩固强化巩固强化应该怎么做应该怎么做【典例【典例1】图甲为某同学设计的探究加速度与物体所受合】图甲为某同学设计的探究加速度与物体所受合力力F及质量及质

12、量m的关系实验装置简图的关系实验装置简图,在实验中认为细线对小在实验中认为细线对小车拉力车拉力F的大小等于砝码和砝码盘的总重力的大小等于砝码和砝码盘的总重力,小车运动的小车运动的加速度加速度a可用纸带上的点求得可用纸带上的点求得.甲甲丙丙乙乙(1)本实验采用的实验方法是本实验采用的实验方法是.A.控制变量法控制变量法B.假设法假设法C.理想实验法理想实验法D.等效替代法等效替代法(2)该同学想用砝码和砝码盘的总重力的大小替代小车受该同学想用砝码和砝码盘的总重力的大小替代小车受到的合力大小到的合力大小.为了减小这种做法带来的实验误差为了减小这种做法带来的实验误差,你认为你认为在实验中应该采取的两

13、项措施是在实验中应该采取的两项措施是.A.保证小车下面的长木板水平放置保证小车下面的长木板水平放置B.将小车下面的长木板没有滑轮的一端适当垫高以补偿小将小车下面的长木板没有滑轮的一端适当垫高以补偿小车受到的阻力车受到的阻力C.使小车质量远大于砝码和砝码盘的总质量使小车质量远大于砝码和砝码盘的总质量D.使小车质量远小于砝码和砝码盘的总质量使小车质量远小于砝码和砝码盘的总质量(3)图乙是实验中获取的一条纸带的一部分图乙是实验中获取的一条纸带的一部分,其中其中0、1、2、3、4是计数点是计数点,每相邻两计数点间还有每相邻两计数点间还有4个点个点(图中未标出图中未标出),计计数点间的距离如图所示数点间

14、的距离如图所示,打点计时器所用电源频率为打点计时器所用电源频率为50Hz,打打“3”计数点时小车的速度大小为计数点时小车的速度大小为m/s,由纸带求由纸带求出小车的加速度的大小出小车的加速度的大小a=m/s2.(计算结果均保留计算结果均保留2位有效数字位有效数字)(4)在在探探究究加加速速度度与与力力的的关关系系时时,保保持持小小车车的的质质量量不不变变,改改变变砝砝码码盘盘中中砝砝码码的的质质量量,该该同同学学根根据据实实验验数数据据作作出出的的加加速速度度a与与合合力力F的的关关系系图图线线如如图图丙丙所所示示,该该图图线线不不通通过过坐坐标标原原点点,原原因因为为.答案答案:(1)A(2

15、)BC(3)0.260.50(4)平衡摩擦力平衡摩擦力(补补偿阻力偿阻力)过度过度(4)分析图像可知分析图像可知,小车受到的拉力为小车受到的拉力为0时时,即砝码和砝码即砝码和砝码盘的总重力为盘的总重力为0时时,存在加速度存在加速度,说明平衡摩擦力说明平衡摩擦力(补偿阻补偿阻力力)过度过度.【典例【典例2】在探究加速度与力、质量的关系活动中】在探究加速度与力、质量的关系活动中,某小组某小组设计了如图所示的实验装置设计了如图所示的实验装置.图中上下两层水平轨道表面图中上下两层水平轨道表面光滑光滑,两小车前端系上细线两小车前端系上细线,细线跨过滑轮并挂上砝码盘细线跨过滑轮并挂上砝码盘,两两小车尾部通

16、过细线连到控制装置上小车尾部通过细线连到控制装置上,实验时通过控制装置实验时通过控制装置使两小车同时开始运动使两小车同时开始运动,同时停止同时停止.(1)在安装实验装置时在安装实验装置时,应调整滑轮的高度应调整滑轮的高度,使使;在实验时在实验时,为减小系统误差为减小系统误差,应使砝码盘和砝码的总质量应使砝码盘和砝码的总质量(选填选填“远大于远大于”“远小于远小于”或或“等于等于”)小车的质量小车的质量.(2)本实验通过比较两小车的位移来比较小车加速度的本实验通过比较两小车的位移来比较小车加速度的大小大小,能这样比较能这样比较,是因为是因为.(3)实验中获得数据如下表所示实验中获得数据如下表所示

17、,小车小车、的质量均的质量均为为200g.实验次数实验次数小车小车拉力拉力F/N位移位移x/cm10.10.246.5120.229.040.343.6330.341.160.444.8040.436.430.545.56在第在第1次实验中小车次实验中小车从从A点运动到点运动到B点的位移如下图点的位移如下图所示所示,请将测量结果填到表中空格处请将测量结果填到表中空格处.通过分析通过分析,可知表可知表中第中第次实验数据明显错误次实验数据明显错误,应舍弃应舍弃.解析解析:(1)拉小车的细线要与轨道平行拉小车的细线要与轨道平行;只有在砝码盘和只有在砝码盘和砝码的总质量远小于砝码的总质量远小于小车小车

18、质量时质量时,才能认为砝码盘和砝才能认为砝码盘和砝码的总重力大小等于细线拉小车的力码的总重力大小等于细线拉小车的力.答案答案:(1)细线与轨道平行细线与轨道平行(或细线水平或细线水平)远小于远小于(2)两小车从静止开始做匀加速直线运动两小车从静止开始做匀加速直线运动,且两小车的运且两小车的运动时间动时间相等相等(3)23.36(23.3423.38均正确均正确)3命题角度命题角度2拓展迁移拓展迁移还能怎么做还能怎么做1.实验器材的改进实验器材的改进.气垫导轨气垫导轨(不用平衡阻力不用平衡阻力)长长木板木板.2.数据测量的改进数据测量的改进.(1)由力传感器直接得到由力传感器直接得到拉力拉力用用

19、天平测出槽码的质量天平测出槽码的质量.(2)用两个光电门计算用两个光电门计算加速度加速度通过通过纸带求加速度纸带求加速度.【典例【典例3】为了探究物体质量一定时加速度与力的关系】为了探究物体质量一定时加速度与力的关系,某某同学设计了如图甲所示的实验装置同学设计了如图甲所示的实验装置,其中其中m为小车的质量为小车的质量,m为沙和沙桶的质量为沙和沙桶的质量,m0为小车上滑轮的质量为小车上滑轮的质量,力传感器可力传感器可测出轻绳中的拉力大小测出轻绳中的拉力大小.甲甲(1)实验时实验时,一定要进行的操作或满足的一定要进行的操作或满足的条件条件是是.A.用天平测出沙和沙桶的质量用天平测出沙和沙桶的质量B

20、.将带滑轮的长木板右端垫高将带滑轮的长木板右端垫高,以平衡摩擦力以平衡摩擦力C.小车靠近打点计时器小车靠近打点计时器,先接通电源先接通电源,再释放小车再释放小车,打出一打出一条纸带条纸带,同时记录力传感器的示数同时记录力传感器的示数D.为减小误差为减小误差,实验中一定要保证沙和沙桶的质量实验中一定要保证沙和沙桶的质量m远远小于小车的质量小于小车的质量m(2)该同学在实验中得到如图乙所示的一条纸带该同学在实验中得到如图乙所示的一条纸带(相邻相邻两计数点间还有四个点没有画出两计数点间还有四个点没有画出),已知打点计时器所已知打点计时器所用电源的频率为用电源的频率为50Hz,根据纸带可求出小车的加速

21、度根据纸带可求出小车的加速度为为m/s2(结果保留三位有效数字结果保留三位有效数字).乙乙(3)该同学以力传感器的示数该同学以力传感器的示数F的的2倍倍2F为横坐标为横坐标,加速加速度度a为纵坐标为纵坐标,画出的画出的a-2F图像是一条直线图像是一条直线,如图丙所示如图丙所示,说明加速度与力成正比说明加速度与力成正比,但该同学发现但该同学发现:加速度加速度a随力随力2F的增大而增大的增大而增大,且图线的斜率且图线的斜率k不变不变,猜想图线斜率一定猜想图线斜率一定跟小车的跟小车的有关有关.丙丙解析解析:(1)本题拉力可以由力传感器读出本题拉力可以由力传感器读出,不需要用天平测出不需要用天平测出沙

22、和沙桶的质量沙和沙桶的质量,也就不需要使沙和沙桶的质量远小于小也就不需要使沙和沙桶的质量远小于小车的总质量车的总质量,故选项故选项A、D错误错误.实验中力传感器测出拉力实验中力传感器测出拉力,从而得到小车受到的合力从而得到小车受到的合力,故需要将带滑轮的长木板右端故需要将带滑轮的长木板右端垫高垫高,以平衡摩擦力以平衡摩擦力,选项选项B正确正确.使用打点计时器时使用打点计时器时,应先接应先接通电源通电源,待打点稳定后再释放小车待打点稳定后再释放小车,该实验探究加速度与力该实验探究加速度与力的关系的关系,要记录力传感器的示数要记录力传感器的示数,选项选项C正确正确.答案答案:(1)BC(2)2.0

23、0(3)质量质量【典例【典例4】某同学探究加速度与力的关系的实验装置如图】某同学探究加速度与力的关系的实验装置如图所示所示.他在气垫导轨上他在气垫导轨上B处安装了一个光电门处安装了一个光电门,滑块上固定一滑块上固定一遮光条遮光条,滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连相连,力传感器下方悬挂钩码力传感器下方悬挂钩码,每次滑块都从每次滑块都从A处由静止释放处由静止释放.(1)已知遮光条的宽度为已知遮光条的宽度为d,实验时实验时,将滑块从将滑块从A位置由静止释位置由静止释放放,由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间由数字计时器读出遮光条通过光电门

24、的时间t,若要得到若要得到滑块的加速度滑块的加速度,还需要测量的物理量是还需要测量的物理量是.解析解析:(1)实验时实验时,将滑块从将滑块从A位置由静止释放位置由静止释放,由数字计时器由数字计时器读出遮光条通过光电门的时间读出遮光条通过光电门的时间t,滑块经过光电门时的瞬时滑块经过光电门时的瞬时速度可近似认为等于滑块经过光电门的平均速度速度可近似认为等于滑块经过光电门的平均速度.根据运根据运动学公式知动学公式知,若要得到滑块的加速度若要得到滑块的加速度,还需要测量的物理量还需要测量的物理量是是A到到B的距离的距离l.(2)拉力是直接通过力传感器测量的拉力是直接通过力传感器测量的,与滑块质量及钩码和与滑块质量及钩码和力传感器的总质量大小关系无关力传感器的总质量大小关系无关,故选项故选项A不必要不必要;应使应使A、B间的距离适当大些间的距离适当大些,有利于减小误差有利于减小误差,故选项故选项B必要必要;应将应将气垫导轨调节水平气垫导轨调节水平,并保持细线与气垫导轨平行并保持细线与气垫导轨平行,拉力才等拉力才等于合力于合力,故选项故选项C、D必要必要.