人教版高中物理必修第一册第四章运动和力的关系4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系课件（54页PPT）

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4.2实验：探究加速度与力、质量的关系
第四章 运动和力的关系
人教版高中物理 必修一
前面我们学习了怎样描述物体的运动，但是没有讨论物体为什么会运动。要讨论这个问题，必须知道运动和力的关系。在力学中，只研究物体怎样运动而不涉及运动和力的关系的分支，叫作运动学（kinematics）；研究运动和力的关系的分支，叫作动力学（dynamics）。
动力学知识在生产和科学研究中很重要，设计各种机器，控制交通工具，研究天体运动等，都离不开动力学知识。
学习目标
1.明确影响物体加速度的两个因素——力和质量。（物理观念）
2.学会测量物体的质量、加速度和受到的力，通过实验探究加速度与力、质量的关系。（科学探究）
3.会运用图像法处理实验数据，得出实验结论。（科学探究）
导入新课
速度是描述 的物理量，加速度是描述 的物理量。因此也可以说，加速度是描述 的物理量。
由前面的学习我们知道， 是改变物体运动状态的原因，质量大的物体运动状态 改变。
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。
物体运动状态
速度变化快慢
物体运动状态变化快慢
力
不容易
导入新课
本节实验分别从“加速度与力的关系”和“加速度与质量的关系”两方面进行研究。
一、探究加速度与力、质量的关系
（1）学会用 法探究物理规律。
（2）探究 的关系。
（3）掌握利用 处理实验数据的方法。
实验目的：
控制变量
加速度与力、质量
图像
一、探究加速度与力、质量的关系
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（图4.2-1）。
（1）探究加速度与力的关系：保持 不变，通过改变槽码的个数改变小车所受的 。小车所受的拉力可认为与槽码所受的重力 。测得不同拉力下小车运动的 ，分析加速度与拉力的变化情况，找出二者之间的定量关系。
实验思路——控制变量法
小车质量
拉力
相等
加速度
一、探究加速度与力、质量的关系
（2）探究加速度与质量的关系：保持 不变，通过在小车上增加重物改变小车的 。测得不同质量的小车在这个拉力下运动的加速度，分析加速度与质量的变化情况，找出二者之间的定量关系。
小车所受的拉力
质量
一、探究加速度与力、质量的关系
（1）质量的测量
可以用 测量质量。为了改变小车的质量，可以在小车中 。
一、探究加速度与力、质量的关系
物理量的测量
本实验需要测量的物理量有三个：
、 和 。
物体的质量
物体所受的作用力
物体运动的加速度
天平
增减砝码的数量
一、探究加速度与力、质量的关系
（2）加速度的测量
方法1：小车做初速度为0 的匀加速直线运动，则测量小车加速度最直接的办法就是用 测量小车移动的位移x，并用 测量发生这段位移所用的时间t，然后由 计算出加速度a。
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（参考第一章的实验方法）。由Δx= 来计算加速度。
刻度尺
秒表
一、探究加速度与力、质量的关系
方法3 ：在这个实验中 加速度的具体数值。这是因为我们探究的是加速度与其他物理量之间的 关系，因此测量不同情况下物体加速度的比值即可。
如果能做到让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的 相等，那么由（1）式可知，它们的位移之比就等于 之比，即 。
这样，测量加速度就转换成测量位移了。
也可以不测量
比例
运动时间t
加速度
一、探究加速度与力、质量的关系
方法4（扩）：利用a = 求加速度。如在气垫导轨上运动的滑块，测出其始、末速度和对应的位移即可求得滑块的加速度。
一、探究加速度与力、质量的关系
（3）力的测量
现实中，仅受一个力作用的物体 。然而，一个单独的力的作用效果与跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是 的。因此，实验中作用力F的含义可以是 。
如何为运动的物体提供一个恒定的合力，如何测出这个合力是本实验的关键，有很多可行的方法。下面参考案例中的方法可供选用，也可以设计其他方法。
几乎不存在
相同
物体所受的合力
等效替代法。
一、探究加速度与力、质量的关系
实验装置
实验装置如图所示。用 的方法为小车提供拉力，把木板的一端 ，以 打点计时器对小车的阻力及其他阻力。测出槽码的总重力，它近似等于 。
悬挂槽码
垫高
补偿
小车运动时所受的拉力
BC
1.6
3.2
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
实验步骤
（1）用天平测出 的质量，并记录数值。
（2）按图将实验器材安装好（小车上不系绳）。
使小车做加速运动的是细绳的拉力，而不是槽码的重力。
小车
纸带上相邻点间距相等。
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
（3）阻力补偿：把木板无滑轮的一端下面垫一薄木板，反复移动其位置，使小车在不挂槽码的情况下，能拖动纸带沿木板做 运动。
（4）把小车停在 打点计时器处，挂上 ，先接通 ，再让小车拖着纸带在木板上 下滑，打出一条纸带。计算槽码的 力，即小车所受的 力，由纸带计算出小车的 ，并把槽码的重力和对应的加速度记录在表格中。
重力的分力补偿阻力。
匀速直线
靠近
槽码
电源
匀加速
重
拉
加速度
所挂槽码的重力作为小车受到的合力的两个前提：
①补偿了阻力。
②所挂槽码的质量远小于小车和车上砝码的总质量。
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
（5）改变槽码的 ,重复步骤（4），并多做几次，将对应的重力和加速度也记录在表格中。
个数
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
（6）保持小车受的 不变，通过增减小车中的重物改变小车的 ，让小车在木板上运动打出纸带。计算小车上的重物和小车的总质量，并由纸带计算出小车对应的加速度，把相应数据记录在表格中。
（7）改变小车中重物的质量,重复步骤（6），并多做几次，将对应的质量和加速度也记录在表格中。
拉力
质量
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
数据处理
为了更直观地判断加速度a 与拉力F 的定量关系，我们以 为纵坐标、 为横坐标建立直角坐标系。根据各组实验数据在坐标纸上描点。
如果这些点在一条过原点的直线附近，说明加速度a 与拉力F 成 比。如果不是这样，则需进一步分析。
如图所示,该图像是一条通过原点的直线。
a
F
正
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
为了分析加速度a 与质量m 的定量关系，我们同样需要建立直角坐标系。经验告诉我们，在相同拉力作用下，质量m 越大，加速度a 越 。这可能是“a 与 m 成反比”，但也可能是“a 与 成反比”，甚至是更复杂的关系。我们从最简单的情况入手，检验是否“a 与 m 成反比”。
小
实验结果如图4.2-4所示，我们很难直观看出图线是否为双曲线，如何解决这个问题呢？
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
双曲
过原点的直线
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
（1）物体的质量m不变时，物体的加速度a与力F成正比。
（2）物体所受的力F不变时，物体的加速度a与质量m成反比。
实验结论
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
误差分析
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
如出现图甲、乙中的①直线，说明平衡摩擦力时，平衡过度了，即拉力F=0时，已产生加速度a，其加速度是由重力的分力与摩擦力的合力产生的。
出现图甲、乙中的②直线,说明平衡摩擦力不够或根本没有平衡摩擦力。
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
（3）实验原理不完善引起的误差
实验中用槽码的总重力代替小车受到的拉力（实际上小车受到的拉力要小于槽码的总重力）存在系统误差。
若实验中得到的a - F图像如图所示，拉力F很大时，AB段明显偏离直线,说明此时悬挂的槽码的总质量不满足远小于小车和车中的槽码的总质量的条件。
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
（1）每条纸带必须在满足小车与车上所加槽码的总质量远大于悬挂槽码的总质量的条件下打出。
（2）改变拉力或小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并先接通电源，再放开小车，且在小车碰到滑轮前按住小车。
（3）描点要准确，要使尽可能多的点在所作的图线上，不在图线上的点应尽可能对称地分布在所作图线的两侧，远离图线的点直接舍去。
注意事项
二、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
不需要
不满足小车质量远大于砂和砂桶的总质量（或“不满足砂和砂桶的总质量远小于小车质量”等类似答案均可）
0.39
AB
三、通过位移之比测量加速度之比
三、通过位移之比测量加速度之比
AD
BCD
运动时间
质量
不能
四、用气垫导轨、光电门探究加速度与力、质量的关系
实验装置
四、用气垫导轨、光电门探究加速度与力、质量的关系
（1） 气垫导轨，让滑块在槽码拉力的作用下做加速运动，记录滑块通过光电门的 、槽码的质量、两光电门间的 。
（2）保持滑块质量不变，通过增加（或减少）槽码的质量来改变拉力的大小，重复实验几次，记下实验数据。
（3）保持槽码的质量不变，即滑块所受的拉力不变，通过在滑块上增加（或减少） 来改变滑块的质量，重复实验几次，记下实验数据。
实验步骤
调平
速度
距离
橡皮泥

四、用气垫导轨、光电门探究加速度与力、质量的关系
加速度的测量
四、用气垫导轨、光电门探究加速度与力、质量的关系
四、用气垫导轨、光电门探究加速度与力、质量的关系
C
B