4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系课件（22张PPT）
文档属性
| 名称 | 4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系课件（22张PPT） |  | |
| 格式 | pptx | ||
| 文件大小 | 953.6KB | ||
| 资源类型 | 教案 | ||
| 版本资源 | 人教版（2019） | ||
| 科目 | 物理 | ||
| 更新时间 | 2021-12-23 18:05:39 | ||
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文档简介
(共22张PPT)
人教版 必修第一册
4.2 探究加速度与力、质量的关系
第四章 运动和力的关系
引入新课
牛顿第一定律揭示了运动和力的关系：力是改变物体运动状态的原因，即力是改变物体速度的原因，速度改变说明有加速度产生。
质量越大的物体惯性越大，运动状态越不容易，这说明，加速度与力、质量之间必然存在一定的关系。下面我们来探究加速度与力、质量之间的定量关系。
一、实验目的
1、学会用控制变量法研究物理规律；
2、会通过实验探究加速度与力、质量的定量关系。
3、掌握利用图像处理数据的方法。
二、实验器材
小车；槽码；砝码；细绳；一端附有定滑轮的长木板；薄木块；打点计时器；交流电源；导线；
纸带；毫米刻度尺；天平(带
一套砝码)。
三、实验原理
1、实验方法：控制变量法
（1）探究加速度与力的关系：保持小车质量m不变，研究加速度a与拉力F的关系。
（2）探究加速度与质量的关系：保持拉力F不变，研究加速度a与小车质量m的关系。
控制变量法：控制变量的方法是指在研究和解决问题的过程中，对影响事物变化规律的独立因素加以人为控制，使其中只有一个因素按照特定的要求发生变化，而其他因素保持不变，以便于寻找事物发展变化的规律的方法。
2、实验原理：
三、实验原理
实验装置如图所示，本实验以小车为研究
对象，需要测量的物理量有加速度、力和质量。
其中质量可用天平测量，加速度可以通过打点
计时器打下的纸带进行计算，拉小车运动的物
体的重力可以认为近似等于小车所受的拉力（
小车质量越大，这种近似造成的误差越小），故小车所受拉力可通过测量物体的重力间接得到。
探究时，通过在小车上增减砝码来改变小车的质量，在小车上拴一根细纸，细线通过定滑轮拴挂上槽码，可能通过改变槽码的数目来改变小车受到的拉力大小。
三、实验原理
3、物理量的测量：
（1）质量的测量：用天平测量。在小车中增减砝码的数量可改变小车的质量。
（2）加速度的测量：
①方法1：让小车做初速度为0的匀加速直线运动，用刻度尺测量位移x，用秒表测量发生这段位移所用的时间t，然后由 计算出加速度a。
②方法2：由纸带根据公式Δx＝aT2，结合逐差法计算出小车的加速度。
③方法3：不直接测量加速度，求加速度之比，例如：让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体运动时间t相等，测出各自的位移x1、x2，则 ，把加速度的测量转换成位移的测量。
（3）力的测量：在平衡摩擦后，小车受到的拉力等于小车所受的合力，在槽码的质量比小车的质量小得多时，可认为小车所受的拉力近似等于槽码所受的重力。
四、实验步骤
1．用天平测出小车的质量m，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(小车上先不系细绳)。
3．平衡摩擦：在长木板不带定滑轮的一端下面垫上垫木，反复移动垫木位置，启动打点计时器，直到轻推小车使小车在斜面上运动时可保持匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等)，此时小车重力沿斜面方向的分力等于打点计时器对小车的阻力和长木板的摩擦阻力及其他阻力之和。
小车受到的摩擦力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡。
5．保持槽码个数不变，即保持小车所受的拉力不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，把数据记录在表2中。
四、实验步骤
4．用细绳绕过定滑轮系在小车上，另一端挂上槽码，保持小车质量不变，改变槽码的个数，以改变小车所受的拉力，处理纸带，测出加速度，将结果填入表1中。
表2 小车所受的拉力一定
表1 小车质量一定
五、数据处理
1．分析加速度a与力F的定量关系
由表1中记录的数据，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a F图像，如图甲所示，若图像是一条通过原点的直线，就能说明a与F成正比。
在m一定的情况下，加速度与力成正比，即
2．分析加速度a与质量m的定量关系
由表2中记录的数据，以a为纵坐标，以 为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a 图像，如图乙所示。若a 图像是一条过原点的直线，说明a与 成正比，即a与m成反比。
五、数据处理
图象是一条过原点的倾斜直线
在F一定的情况下，加速度与质量成反比，即
五、数据处理
a F、a 1/M图线的可能情形及对应原因
(1)若没有平衡摩擦力，或者木板倾角过小摩擦力没被完全平衡，则a F，a 1/M图像如图甲、乙①②所示。 (2)若平衡摩擦力过度或者斜面倾角过大，则a F，a 1/M图像如图甲、乙③④所示。
(3)若实验中没有满足M远大于m，则a F，a 1/M图像如图丙、丁所示。
丙 丁
甲 乙
3．实验结论
(1)保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受拉力F成正比，即 。
(2)保持拉力F不变时，物体的加速度a与质量m成反比，即 。
六、误差分析
产生原因 减小方法
偶然误差 质量测量不准、计数点间距测量不准 多次测量求平均值
小车所受拉力测量不准 ①准确平衡摩擦力
②使细绳和纸带平行于木板
作图不准 使尽可能多的点落在直线上或均匀分布在直线两侧，误差较大的点舍去
系统误差 槽码的总重力代替小车所受的拉力 使槽码的总质量远小于小车的质量
七、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，不管以后是改变槽码的质量还是改变小车及砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力。
2．实验中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，槽码的总重力才可视为与小车受到的拉力相等。
3．开始释放小车时应使小车尽量靠近打点计时器，关应先接通电源，待打点计时器稳定后再放开小车，且应在小车到达滑轮前用手按住小车。
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，离直线较远的点是错误数据，舍去不予考虑。
八、其他设计方案
用气垫导轨探究加速度与力、质量的关系。
1．实验设计
(1)如图所示，让滑块在钩码拉力的作用下做加速运动，记录下滑块通过光电门的速度、钩码的质量、两光电门间的距离。 (2)保持滑块质量不变，通过增加(或减少)钩码的数量来改变拉力的大小，重复实验3次。
2．计算加速度的方法
已知滑块经过两个不同位置的速度v1和v2以及两位置间的距离，利用 就可以求得加速度。
由数据分析得出结论：当物体的质量不变时，a与F成正比。
八、其他设计方案
3．数据的分析
设计实验表格，将滑块质量不变时的实验数据记入表格并进行分析。
滑块质量M＝________kg
钩码的质量m/kg
滑块所受拉力大小的近似值F/N
滑块通过光电门1的速度v1/(m·s－1)
滑块通过光电门2的速度v2/(m·s－1)
两光电门间的跟离x/m
滑块加速度的计算值a/(m·s－2)
4．需说明的两个问题
(1)有的仪器只能记录滑块经过光电门的时间，但这个时间很短暂，故可用v＝d/t(d是指挡光板的宽度，t是挡光时间)求得滑块在不同位置的瞬时速度。 (2)认为钩码的重力等于滑块所受到的拉力，但这是有条件的，即滑块的质量比钩码的质量大得多，滑块的加速度不能太大。
八、其他设计方案
九、典例分析
【典例1】在研究作用力F一定时，小车的加速度a与小车(含砝码)质量M的关系时，某同学设计的实验步骤如下： A．用天平称出小车和所挂槽码的质量 B．按图安装好实验器材 C．把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂槽码 D．将电磁打点计时器接在8 V电压的蓄电池上，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．保持所挂槽码的质量不变，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)该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________。
九、典例分析
(4)仔细观察该同学安装的实验装置图，请改正以下三个实验器材的位置错误。
①电磁打点计时器的位置________； ②小车位置________； ③滑轮位置________。
[答案](1)平衡摩擦力 B
(2)D 8 V电压的蓄电池 8 V的交流电源
(3)G a M图像 a M(1)图像
(4)①应靠右端 ②应靠近打点计时器 ③使细绳平行于木板时滑轮所处位置
【典例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的关系的实验，图甲为实验装置简图。
九、典例分析
甲 乙
(1)图乙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。(保留两位有效数字，交流电的频率为50 Hz)
(2)保持槽码质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m及对应的1/m，数据如下表：
九、典例分析
实验次数物理量 1 2 3 4 5 6 7 8
小车加速度a/(m·s－2) 1.90 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 0.30
小车质量m/kg/kg－1 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67
4.00 3.45 3.03 2.50 2.00 1.41 1.00 0.60
请在图丙中画出a 1/m图线，并依据图线求出小车加速度a与质量倒数1/m之间的关系式是________。
丙 丁
(3)保持小车质量不变，改变槽码质量，该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F变化的图线，如图丁所示。该图线不通过原点，请你分析其主要原因是____________________________________________________________。
九、典例分析
[答案](1)3.2
(2)如图：
(3)实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足
谢谢！
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4.2 探究加速度与力、质量的关系
第四章 运动和力的关系
引入新课
牛顿第一定律揭示了运动和力的关系：力是改变物体运动状态的原因，即力是改变物体速度的原因，速度改变说明有加速度产生。
质量越大的物体惯性越大，运动状态越不容易，这说明，加速度与力、质量之间必然存在一定的关系。下面我们来探究加速度与力、质量之间的定量关系。
一、实验目的
1、学会用控制变量法研究物理规律；
2、会通过实验探究加速度与力、质量的定量关系。
3、掌握利用图像处理数据的方法。
二、实验器材
小车；槽码；砝码；细绳；一端附有定滑轮的长木板；薄木块；打点计时器；交流电源；导线；
纸带；毫米刻度尺；天平(带
一套砝码)。
三、实验原理
1、实验方法：控制变量法
（1）探究加速度与力的关系：保持小车质量m不变，研究加速度a与拉力F的关系。
（2）探究加速度与质量的关系：保持拉力F不变，研究加速度a与小车质量m的关系。
控制变量法：控制变量的方法是指在研究和解决问题的过程中，对影响事物变化规律的独立因素加以人为控制，使其中只有一个因素按照特定的要求发生变化，而其他因素保持不变，以便于寻找事物发展变化的规律的方法。
2、实验原理：
三、实验原理
实验装置如图所示，本实验以小车为研究
对象，需要测量的物理量有加速度、力和质量。
其中质量可用天平测量，加速度可以通过打点
计时器打下的纸带进行计算，拉小车运动的物
体的重力可以认为近似等于小车所受的拉力（
小车质量越大，这种近似造成的误差越小），故小车所受拉力可通过测量物体的重力间接得到。
探究时，通过在小车上增减砝码来改变小车的质量，在小车上拴一根细纸，细线通过定滑轮拴挂上槽码，可能通过改变槽码的数目来改变小车受到的拉力大小。
三、实验原理
3、物理量的测量：
（1）质量的测量：用天平测量。在小车中增减砝码的数量可改变小车的质量。
（2）加速度的测量：
①方法1：让小车做初速度为0的匀加速直线运动，用刻度尺测量位移x，用秒表测量发生这段位移所用的时间t，然后由 计算出加速度a。
②方法2：由纸带根据公式Δx＝aT2，结合逐差法计算出小车的加速度。
③方法3：不直接测量加速度，求加速度之比，例如：让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体运动时间t相等，测出各自的位移x1、x2，则 ，把加速度的测量转换成位移的测量。
（3）力的测量：在平衡摩擦后，小车受到的拉力等于小车所受的合力，在槽码的质量比小车的质量小得多时，可认为小车所受的拉力近似等于槽码所受的重力。
四、实验步骤
1．用天平测出小车的质量m，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(小车上先不系细绳)。
3．平衡摩擦：在长木板不带定滑轮的一端下面垫上垫木，反复移动垫木位置，启动打点计时器，直到轻推小车使小车在斜面上运动时可保持匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等)，此时小车重力沿斜面方向的分力等于打点计时器对小车的阻力和长木板的摩擦阻力及其他阻力之和。
小车受到的摩擦力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡。
5．保持槽码个数不变，即保持小车所受的拉力不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，把数据记录在表2中。
四、实验步骤
4．用细绳绕过定滑轮系在小车上，另一端挂上槽码，保持小车质量不变，改变槽码的个数，以改变小车所受的拉力，处理纸带，测出加速度，将结果填入表1中。
表2 小车所受的拉力一定
表1 小车质量一定
五、数据处理
1．分析加速度a与力F的定量关系
由表1中记录的数据，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a F图像，如图甲所示，若图像是一条通过原点的直线，就能说明a与F成正比。
在m一定的情况下，加速度与力成正比，即
2．分析加速度a与质量m的定量关系
由表2中记录的数据，以a为纵坐标，以 为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a 图像，如图乙所示。若a 图像是一条过原点的直线，说明a与 成正比，即a与m成反比。
五、数据处理
图象是一条过原点的倾斜直线
在F一定的情况下，加速度与质量成反比，即
五、数据处理
a F、a 1/M图线的可能情形及对应原因
(1)若没有平衡摩擦力，或者木板倾角过小摩擦力没被完全平衡，则a F，a 1/M图像如图甲、乙①②所示。 (2)若平衡摩擦力过度或者斜面倾角过大，则a F，a 1/M图像如图甲、乙③④所示。
(3)若实验中没有满足M远大于m，则a F，a 1/M图像如图丙、丁所示。
丙 丁
甲 乙
3．实验结论
(1)保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受拉力F成正比，即 。
(2)保持拉力F不变时，物体的加速度a与质量m成反比，即 。
六、误差分析
产生原因 减小方法
偶然误差 质量测量不准、计数点间距测量不准 多次测量求平均值
小车所受拉力测量不准 ①准确平衡摩擦力
②使细绳和纸带平行于木板
作图不准 使尽可能多的点落在直线上或均匀分布在直线两侧，误差较大的点舍去
系统误差 槽码的总重力代替小车所受的拉力 使槽码的总质量远小于小车的质量
七、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，不管以后是改变槽码的质量还是改变小车及砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力。
2．实验中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，槽码的总重力才可视为与小车受到的拉力相等。
3．开始释放小车时应使小车尽量靠近打点计时器，关应先接通电源，待打点计时器稳定后再放开小车，且应在小车到达滑轮前用手按住小车。
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，离直线较远的点是错误数据，舍去不予考虑。
八、其他设计方案
用气垫导轨探究加速度与力、质量的关系。
1．实验设计
(1)如图所示，让滑块在钩码拉力的作用下做加速运动，记录下滑块通过光电门的速度、钩码的质量、两光电门间的距离。 (2)保持滑块质量不变，通过增加(或减少)钩码的数量来改变拉力的大小，重复实验3次。
2．计算加速度的方法
已知滑块经过两个不同位置的速度v1和v2以及两位置间的距离，利用 就可以求得加速度。
由数据分析得出结论：当物体的质量不变时，a与F成正比。
八、其他设计方案
3．数据的分析
设计实验表格，将滑块质量不变时的实验数据记入表格并进行分析。
滑块质量M＝________kg
钩码的质量m/kg
滑块所受拉力大小的近似值F/N
滑块通过光电门1的速度v1/(m·s－1)
滑块通过光电门2的速度v2/(m·s－1)
两光电门间的跟离x/m
滑块加速度的计算值a/(m·s－2)
4．需说明的两个问题
(1)有的仪器只能记录滑块经过光电门的时间，但这个时间很短暂，故可用v＝d/t(d是指挡光板的宽度，t是挡光时间)求得滑块在不同位置的瞬时速度。 (2)认为钩码的重力等于滑块所受到的拉力，但这是有条件的，即滑块的质量比钩码的质量大得多，滑块的加速度不能太大。
八、其他设计方案
九、典例分析
【典例1】在研究作用力F一定时，小车的加速度a与小车(含砝码)质量M的关系时，某同学设计的实验步骤如下： A．用天平称出小车和所挂槽码的质量 B．按图安装好实验器材 C．把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂槽码 D．将电磁打点计时器接在8 V电压的蓄电池上，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．保持所挂槽码的质量不变，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)该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________。
九、典例分析
(4)仔细观察该同学安装的实验装置图，请改正以下三个实验器材的位置错误。
①电磁打点计时器的位置________； ②小车位置________； ③滑轮位置________。
[答案](1)平衡摩擦力 B
(2)D 8 V电压的蓄电池 8 V的交流电源
(3)G a M图像 a M(1)图像
(4)①应靠右端 ②应靠近打点计时器 ③使细绳平行于木板时滑轮所处位置
【典例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的关系的实验，图甲为实验装置简图。
九、典例分析
甲 乙
(1)图乙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。(保留两位有效数字，交流电的频率为50 Hz)
(2)保持槽码质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m及对应的1/m，数据如下表：
九、典例分析
实验次数物理量 1 2 3 4 5 6 7 8
小车加速度a/(m·s－2) 1.90 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 0.30
小车质量m/kg/kg－1 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67
4.00 3.45 3.03 2.50 2.00 1.41 1.00 0.60
请在图丙中画出a 1/m图线，并依据图线求出小车加速度a与质量倒数1/m之间的关系式是________。
丙 丁
(3)保持小车质量不变，改变槽码质量，该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F变化的图线，如图丁所示。该图线不通过原点，请你分析其主要原因是____________________________________________________________。
九、典例分析
[答案](1)3.2
(2)如图：
(3)实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足
谢谢！