4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系 课件(共28张PPT) 2023-2024学年高一物理人教版（2019）必修第一册

(共28张PPT)
第2节 实验：探究加速度与力、质量的关系
第四章 运动和力的关系
知识回顾
1.牛顿第一定律的内容是什么？
2.惯性与质量的关系是什么？
一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使他改变这种状态。
质量是惯性大小的唯一量度，质量越大惯性越大。
可见力是改变物体运动状态的原因，质量大的物体运动状态不容易改变。所以加速度与力、质量之间必然存在一定的关系。
下面我们我们通过实验分别从两方面来探究加速度与力、质量之间的定量关系：
① 加速度与力的关系；② 加速度与质量的关系
1.学会用“控制变量法”探究加速度与力、质量的定量关系。
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.通过图像探究加速度与力、质量的定量关系。
知识点一：实验思路
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，以利于寻找事物发展变化的规律的方法。
定量分析a、F、m的关系。
1.实验目的：
2.实验方法：
控制变量法
3.实验思路：
将小车置于水平木板上，通过滑轮与槽码相连。小车可以在槽码的牵引下运动。
(1)加速度与力的关系
保持物体的质量不变，测量不同力下的加速度，分析加速度与力的关系。
(2)加速度与质量的关系
保持物体受力不变，测量不同质量下的加速度，分析加速度与质量的关系。
知识点二：进行实验
1.物理量的测量
本实验需要测量的物理量有三个：物体的质量m、物体所受的作用力F和物体运动的加速度a。
质量可以用天平测量。为了改变小车的质量，可以在小车中增减砝码的数量。
(1)质量的测量
(2)加速度的测量
①方法1：小车做初速度为0 的匀加速直线运动，直接测量小车移动的位移x和发生这段位移所用的时间t，由a= 计算出加速度a。
②方法2：将打点计时器的纸带连在小车上，根据纸带上打出的点来测量加速度。
③方法3：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，那么由 a= 可知，它们的位移之比就等于加速度之比，即： 。这样，测量加速度就转换成测量位移了。
(3)力的测量
现实中，仅受一个力作用的物体几乎不存在，所以实验中作用力F的含义可以是物体所受的合力。
那么，如何测小车所受合外力F合？
我们通过下面具体实验来说明。
2.进行实验
实验设计1：用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
(1)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,电磁打点计时器,低压交流电源,导线两根,纸带,复写纸,托盘天平,米尺。
(2)实验步骤：
①称量质量——用天平测量槽码的质量m0和小车的质量M0。
②安装器材——按照如图所示装置把实验器材安装好,只是不把悬挂小盘的细线系在小车上(即不给小车牵引力)。
③补偿阻力——在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块,反复移动薄木块的位置,直至小车在斜面上运动时可以保持匀速运动状态。
打点计时器
悬挂物
小车
纸带
补偿摩擦力
保持质量不变，探究加速度与力的关系
④让小车靠近打点计时器,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。计算槽码的重力,即为小车所受的合外力,由纸带计算出小车的加速度,并把力和对应的加速度填入表1中。
⑤改变槽码的个数,重复步骤4,并多做几次。
实验次数 加速度a/(m·s-2) 小车受力F/N
1
2
3
4
表一
保持力不变，探究加速度与质量的关系
实验序号 1 2 3 4
小车和砝码的总质量M/kg
/kg-1
加速度a/(m·s-2)
⑥保持槽码个数不变,在小车上放上砝码改变小车的质量,让小车在木板上滑动打出纸带。计算砝码和小车的总质量M,并由纸带计算出小车对应的加速度,并将所对应的质量和加速度填入表2中。
⑦改变小车上砝码的个数,重复步骤6,并多做几次。
表二
资料
次数 悬挂物的质量m0/kg 小车受的拉力F/N 小车的加速度a/m·s-2
1 0.0084 0.0823 0.395
2 0.0096 0.0941 0.449
3 0.0109 0.1068 0.506
4 0.0121 0.1186 0.559
5 0.0134 0.1313 0.615
a/m·s-2
F/N
①保持质量不变，探究加速度与力的关系
图像法
(3)数据分析
资料
质量一定加速度与力成正比
a/m·s-2
F/N
资料
次数 小车的质量m/kg 小车的加速度a/m·s-2
1 0.200 0.456
2 0.250 0.364
3 0.300 0.322
4 0.350 0.278
5 0.400 0.242
a/m·s-2
m/kg
②保持力不变，探究加速度与质量的关系
a/m·s-2
m/kg
/kg
a/m·s-2
化曲为直
资料
次数 小车的质量m/kg 小车质量倒数 /kg 小车的加速度a/m·s-2
1 0.200 5.00 0.456
2 0.250 4.00 0.364
3 0.300 3.33 0.322
4 0.350 2.86 0.278
5 0.400 2.50 0.242
/kg
a/m·s-2
资料
力一定加速度与质量成反比
/kg
a/m·s-2
保持物体质量不变时,物体的加速度a与所受力F成正比。
在力F不变时,物体的加速度a与质量M成反比。
3.实验结论
(1)补偿阻力:在补偿阻力时,不要把悬挂重物的细线系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,且要让小车拖着纸带匀速运动。
4.实验注意事项
(2)不重复补偿阻力:整个实验补偿阻力后,不管以后是改变槽码总质量还是改变小车和砝码的总质量,都不需要重新补偿阻力。
(4)一先一后一按住: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,再放开小车,且应在小车到达定滑轮前按住小车。
(5)作图:作图时,两坐标轴的比例要适当,要使尽可能多的点落在所作直线上,不在直线上的点应尽可能对称地分布在所作直线两侧。离直线较远的点是错误数据,应舍去不予考虑。
(3)实验条件:每条纸带都必须在满足小车的质量远大于槽码的总质量的条件下打出。只有如此,槽码的总重力才可视为小车受到的拉力。
资料
a/m·s-2
F/N
木板倾角过大，补偿摩擦力过度
0
或木板倾角过小，补偿摩擦力不足
木板没有倾斜，未补偿摩擦力
5.误差分析
实验设计2：通过位移之比测量加速度之比
(1)实验器材：
两辆相同的小车、一端带滑轮的长木板、细线、小盘、夹子、不同的重物
(2)实验步骤：
①将两辆相同的小车放在水平木板上，前端各系一条细线，线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘中可以放不同的重物。
②把木板一端垫高，平衡摩擦力。
③控制小车质量不变，在两个小盘中放不同的重物，两小车后端各系一条细线，用夹子控制小车的动与停。
④用刻度尺测出两小车移动的位移x1 、x2 。由于两小车运动时间t相同，从它们的位移之比就可以得出加速度之比。控制 m 不变，探究 a 与 F 的关系。
x1
x2
F1
F2
⑤在盘中重物相同的情况下，通过增减小车中的重物改变小车的质量。
⑥作与关系图象，并由图象确定它们的关系。
1、研究a、F、m三者的关系，利用控制变量法。
2、补偿摩擦力：将木板无滑轮的一端稍微垫高，用重力
的分力来补偿摩擦力。
3、减小误差：重物的质量远小于小车的质量，可近似的
认为悬挂物的重力大小等于小车所受的合
外力的大小。
4、数据分析：图像法