人教版2019物理必修1 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（52张PPT）

(共52张PPT)
第四章
SHIYAN:TANJIUJIASUDUYULI、ZHILIANGDEGUANXI
2　实验：探究加速度与力、质量的关系
明确原理 提炼方法 / 精析典题 提升能力 / 课时对点练
1.学会用控制变量法探究物理规律.
2.会测量加速度、力和质量，能作出物体运动的a－F、a－ 图像.
3.能通过实验数据及图像得出加速度与力、质量的关系.
学习目标
内容索引
明确原理　提炼方法
Part 1
精析典题　提升能力
Part 2
课时
对点练
Part 3
明确原理　提炼方法
Part　1
1.探究加速度与力的关系
保持小车 不变，通过改变 改变小车所受的拉力，测得不同拉力下小车运动的加速度，分析加速度与 的变化情况，找出二者之间的定量关系.
2.探究加速度与质量的关系
保持小车所受的 不变，通过在小车上 改变小车的质量，测得不同质量的小车在这个拉力下运动的加速度，分析加速度与 的变化情况，找出二者之间的定量关系.
一、实验思路——控制变量法
质量
槽码的个数
拉力
拉力
增加重物
质量
1.质量的测量：用 测量.在小车中 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 测量小车移动的位移x，用 测量发生这段位移所用的时间t，然后由a＝ 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：不直接测量加速度的具体数值，求不同情况下物体加速度的比值，例如：让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等，
测出各自的位移x1、x2，则 ，把加速度的测量转换成 的测量.
二、物理量的测量
天平
增减砝码
刻度尺
秒表
位移
3.力的测量
在阻力得到补偿的情况下，小车受到的 等于小车所受的合力.
(1)在槽码的质量比小车的质量 时，可认为小车所受的拉力近似等于 .
(2)使用力传感器可以直接测量拉力的大小，不需要使槽码的质量远小于小车的质量.
拉力
小得多
槽码所受的重力
三、实验器材
小车、砝码、槽码、细线、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、 、纸带、 、 .
刻度尺
天平
交流电源
四、进行实验(以参考案例1为例)
1.用 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.
天平
3.补偿阻力：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木板上运动时可保持
运动为止(纸带上相邻点间距相等)，此时小车重力沿木板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.
匀速直线
4.把细线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1　小车质量一定
拉力F/N
加速度a/(m·s－2)
5.保持槽码个数不变，即保持小车所受的拉力不变，在小车上增减砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，把数据记录在表2中.
表2　小车所受的拉力一定
质量m/kg
加速度a/(m·s－2)
五、数据分析
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，如图所示，若图像是一条 ，就能说明a与F成 .
过原点的倾斜直线
正比
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，如图所示.若a－
图像是一条 ，说明a与 成 ，即a与m成 .
过原点的倾斜直线
正比
反比
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 .
(2)保持拉力F不变时，物体的加速度a与质量m成 .
正比
反比
六、注意事项
1.打点前小车应 打点计时器且应先 后 .
2.在补偿阻力时， (选填“要”或“不要”)悬挂槽码，但小车应连着纸带且启动打点计时器.用手轻轻地给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点的间隔 ，表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿木板向下的分力平衡.
3.作图时应使所作的 通过尽可能多的点，不在直线上的点也要尽可能地均匀分布在直线的两侧，个别偏离较远的点应舍去.
靠近
启动打点计时器
放开小车
不要
均匀
直线
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精析典题　提升能力
Part　2
一、实验原理与实验操作
(2022·北京市房山区高一期末)如图所示为某同学“探究外力一定的条件下，物体的加速度与质量的关系”的实验装置示意图.
例1
(1)下面列出了一些实验器材：电磁打点计时器、纸带、带滑轮的长木板、垫板、小车和砝码、砂和砂桶、天平(附砝码).除以上器材外，还需要的有 ；
A.秒表 B.刻度尺 C.交流电源 D.直流电源
BC
本实验中需要测位移，则需要刻度尺，电磁打点计时器需要低压交流电源，故选B、C.
(2)本实验采用的科学方法是 ；
A.理想实验法
B.控制变量法
C.建立物理模型法
B
实验“探究外力一定的条件下，物体的加速度与质量的关系”，采用的科学方法是控制变量法，故选B.
(3)实验中，需要补偿打点计时器对小车的阻力及其他阻力；小车放在长木板上，后面固定一条纸带，纸带穿过打点计时器.把长木板一端垫高，调节长木板的倾斜度，使小车在不受绳的拉力时能拖动纸带沿长木板做
运动；
匀速直线
补偿阻力时，把长木板一端垫高，调节长木板的倾斜度，使小车在不受绳的拉力时能拖动纸带沿长木板做匀速直线运动即可.
(4)某小组在“探究外力一定的条件下，物体的加速度与质量的关系”时，保持砂和砂桶质量不变，改变小车质量m，分别记录小车加速度a与其质量m的数据，在分析处理数据时，该组同学产生分歧：甲同学认为根据实验数据可以作出小车加速度a与其质量m的图像，如图(甲)，然后由图像直接得出a与m成反比.乙同学认为应该继续验证a与其质量的倒数 是否成正比，并作出小车加速度a与其质量的
倒数 的图像，如图(乙)所示.你认为
同学 (选填“甲”或“乙”)的
方案更合理.
乙
甲同学作出小车加速度a与其质量m的图像，图像是一条曲线，不能由图像直接得出a与m成反比；乙同学作出小车加速度a与其质量的倒数 的图像，图像是一条倾斜的直线，可以得出加速度a与其质量的倒数 成正比，所以乙的方案更合理.
二、实验数据处理
(2022·如皋高一期末)某同学设计了一个“探究加速度a与物体所受合力F及物体质量m的关系”的实验，如图所示为实验装置简图(交流电源的频率为50 Hz).
(1)如图所示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.(结果保留两位有效数字)
例2
3.2
在连续相等的时间间隔内，从纸带上可得到四段位移，因此可以用逐差法计算加速度.
已知x1＝6.19 cm，x2＝6.70 cm，x3＝7.21 cm，x4＝7.72 cm，电火花计时器的计时周期T＝ ＝0.02 s，
由逐差法可得x3－x1＝2a1·(2T)2，x4－x2＝2a2·(2T)2，
(2)保持沙和沙桶的质量不变，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 ，数据如下表.
序号 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 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 1.67
/kg－1 4.00 3.45 3.03 2.50 2.00 1.41 1.00 0.60
请在图甲所示的坐标纸中画出a－ 图线，由图线可得小车的加速度a与质
量的倒数 之间的关系式为 .
答案　见解析图
(3)保持小车的质量不变，改变沙和沙桶的质量，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，如图乙所示.该图线不通过原点，其主要原因是 .
实验前没有补偿阻力或者补偿阻力不足
由a－F图线可知，F增大到某一值时小车开始有加速度，说明实验前没有补偿阻力或者补偿阻力不足.
三、创新实验
为了探究加速度与力的关系，使用如图所示的气垫导轨装置进行实验，其中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Δt1、Δt2都可以被测量并记录，滑块连同上面固定的一条形挡光片的总质量为M，挡光片宽度为D，两光电门间的距离为x，牵引槽码的质量为m，回答下列问题：
例3
(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？
.
答案　见解析
取下牵引槽码，滑块放在任意位置都不动；或取下牵引槽码，轻推滑块，数字计时器记录的两个光电门的光束被遮挡的时间相等.
(2)在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，求得的加速度a
的表达式为 .(用Δt1、Δt2、D、x表示)
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课时对点练
Part　3
1.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，下列说法正确的是 .
A.在补偿阻力时，应将槽码通过定滑轮用细绳拴在小车上
B.连接槽码和小车的细绳应与长木板平行
C.补偿阻力后，长木板的位置不能移动，每次改变小车质量时，应重新
补偿阻力
D.小车释放前应靠近打点计时器，且应先接通电源，再释放小车
1
2
3
4
BD
在补偿阻力时，应将细绳从小车上拿去，垫高长木板远离滑轮的一端，让小车的重力沿木板方向的分力与小车受到的阻力平衡，故A错误；
若连接槽码和小车的细绳与长木板不保持平行，则绳子拉力的一个分力等于小车所受的外力，这样导致误差增大，故B正确；
补偿阻力后长木板的位置不能移动，但每次改变小车的质量时，小车的重力沿木板方向的分力和小车受到的阻力仍能抵消，不需要重新补偿阻力，故C错误；
1
2
3
4
实验时，若先放开小车，再接通打点计时器电源，由于小车运动较快，可能会使打出来的点很少，不利于数据的采集和处理，而且刚接通电源时打点不稳定，因此要求小车释放前应靠近打点计时器，且应先接通电源，再释放小车，故D正确.
1
2
3
4
2.如图所示的实验中，通过位移的测量来代替加速度的测量，即
用这种替代成立的操作要求是 .
A.实验前必须先补偿阻力
B.必须保证两小车的运动时间相等
C.两小车都必须从静止开始做匀加
速直线运动
D.小车所受的水平拉力大小可以认为是砝码(包括小盘)的重力大小
1
2
3
4
BC
3.(2022·连云港高一期末)某小组用图甲所示装置做“探究加速度与力的关系”实验：
(1)实验中，为了使细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，下列操作正确的是 .
A.垫高靠近电火花计时器一侧的
木板一端，直到小车运动即可
B.将长木板的一端适当垫高，不挂槽码，轻推小车，直到连接小车的纸带上
打出的点迹均匀分布
C.阻力补偿完成后，挂上槽码，调节滑轮高度，使得牵引小车的细线与长木
板保持平行
D.改变槽码个数再次实验，需重新进行阻力补偿操作
1
2
3
4
BC
1
2
3
4
实验中垫高靠近电火花计时器一侧的木板一端，直到小车运动，该操作不能保证细线对小车的拉力等于小车所
受的合外力，故A错误；
将长木板的一端适当垫高，不挂槽码，轻推小车，直到连接小车的纸带上打出的点迹均匀分布，说明小车做匀速直线运动；阻力补偿完成后，挂上槽码，调节滑轮高度，使得牵引小车的细线与长木板保持平行，则细线对小车的拉力等于小车所受的合外力，故B、C正确；
改变槽码个数再次实验，不需重新进行阻力补偿操作，故D错误.
(2)该小组正确操作进行实验，图乙是实验中得到的一条纸带，O、A、B、C、D为计数点，相邻的两个计数点之间还有四个点未画出.已知打点计时器的工作频率为50 Hz，打下B点时小车的瞬时速度大小vB＝ m/s，小车的加速度大小a＝ m/s2.(计算结果均保留两位有效数字)
1
2
3
4
0.53
0.49
1
2
3
4
相邻两个计数点之间还有四个点未画出，
则相邻两个计数点之间的时
打下B点时小车的瞬时速度大小
1
2
3
4
利用逐差法，可求得小车的加速度大小
(3)保持小车质量不变，改变所挂槽码个数多次
实验，得到多组数据如下表所示.
1
2
3
4
F/N 0.14 0.19 0.24 0.34
a/(m·s－2) 0.39 0.53 0.67 0.94
根据表格数据在给定的坐标纸上作出a－F图像.
答案　见解析图　
1
2
3
4
根据表格数据在坐标纸上作出a－F图像如图所示
F/N 0.14 0.19 0.24 0.34
a/(m·s－2) 0.39 0.53 0.67 0.94
(4)根据所画图像可求得小车的质量m＝ kg.(计算结果保留两位有效数字)
1
2
3
4
0.36
1
2
3
4
根据所画图像可求得小车的质量为
4.在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时，采用如图所示的实验装置，小车及车中的砝码的总质量用M表示，盘及盘中的砝码的总质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带上打点计时器打出的点计算出.
1
2
3
4
(1)当M与m的大小关系满足 时，才可以认为细线对小车的拉力大小等于盘和盘中砝码的总重力.
1
2
3
4
m M
本实验用mg代替FT，而实际上FT要小于mg，m比M小得多，产生的误差就越小.
(2)一组同学在保持盘及盘中的砝码质量一定的情况下，探究加速度与小车质量的关系，以下做法正确的是 .
A.补偿阻力，应将盘及盘中的砝码用
细线绕过定滑轮系在小车上
B.每次改变小车的质量时，不需要重
新补偿阻力
C.实验时，先放开小车，再接通打点计时器电源
1
2
3
4
B
1
2
3
4
补偿阻力时，应去掉盘、盘中砝码和细线，让小车能沿木板做匀速直线运动，A错误；
补偿阻力后，当再次改变小车质量时，不需要再补偿阻力，B正确；
实验时，要先接通打点计时器的电源，再释放小车，C错误.
(3)在保持小车及车中的砝码质量M一定，探究加速度与所受合外力的关系时，由于补偿阻力时操作不当，两位同学得到的a－F关系图像分别如图甲、乙所示(a是小车的加速度，F是细线作用于小车的拉力)，其原因分别是：
1
2
3
4
甲图： ；
乙图： .
木板的倾角过大(补偿阻力过度)
没有补偿阻力或补偿阻力不足
1
2
3
4
由题图甲可看出F＝0时，a≠0，说明木板的倾角过大(补偿阻力过度)，重力沿木板方向的分力大于阻力.
由题图乙可看出，只有当F达到一定值时，才会有加速度，说明补偿阻力不足或没有补偿阻力.
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