粤教版高中物理必修第一册第四章牛顿运动定律第二节加速度与力、质量之间的关系课件（43页PPT）

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第四章　牛顿运动定律
第二节　加速度与力、质量之间的关系
1.体会本实验思路的合理性，并尝试设计其他可行性实验方案.
2.分析本实验所需测量的物理量，同时培养亲自动手操作的能力.
3.经历用图像处理实验数据的过程，从图像中发现物理规律，培养收 集信息、处理数据的能力.
4.学会用控制变量法探究物理规律.
学习任务一 影响加速度的因素
教材新知梳理
1. 加速度的测量
(1)在实验中加速度不能直接测量，可以通过直接测量 和 间 接地测量加速度.
时间　
位移　
2. 加速度与物体的受力和质量之间的关系
(1)在确定加速度与物体的受力情况、物体的质量之间的关系时，我们一般采 用 ，即先保持一个量不变，测量另外两个量之间关系的方法.
(2)在探究加速度与质量的关系时，要保持物体所受 不变，而改变 物体的 .
①设斜面与水平桌面的夹角为θ，小车的质量为M，把小车放在斜面上，忽略 小车与斜面间的摩擦，则小车所受合外力大小为 ，增大小车的质 量而保持合外力不变，需要 夹角θ.
②结论：相同质量的物体，受到的外力越小，加速度 ，受到相同外 力时，质量越小，加速度 .
控制变量法　
合外力　
质量　
Mgsin θ　
减小　
越小　
越大　
关键核心突破
　　纯电动汽车不排放污染空气的有害气体，具有较好的发展前途.而纯电动 汽车的启动加速始终是一个需要研究的问题.
(1)甲同学说可以减小纯电动汽车的质量，能使加速度更大些，你认为对 吗？
提示：(1)对.
(2)乙同学说可以使纯电动汽车的动力更强些，也能使加速度更大些，你认为 对吗？
提示：(2)对.
在如图所示的气垫导轨上，固定着两个光电门，它们相隔一定距离并与数字 计时器连接.将不带缺口的遮光条固定在滑块上，将滑块放置在光电门1附 近，并通过小桶及桶中的橡皮泥拉动它，使其由静止从光电门1处开始运动. 观察并记录：
(1)在大小不同的外力(改变小桶中的橡皮泥质量)作用下，同一滑块经过两个 光电门的时间.
(2)在大小相同的外力作用下，滑块上放有砝码和没放砝码时通过两个光电门 的时间.
实验结论：
(1)相同质量的物体，受到的外力越小，加速度越小；
(2)受到相同外力时，质量越小，加速度越大.
(3)物体的加速度a既跟所受的外力F有关，又跟物体本身的质量m有关.
【典例1】　在“探究加速度与力、质量的关系”活动中，某小组设计了如图 所示的实验装置.图中上下两层水平轨道表面光滑，两小车前端系上细线，细 线跨过滑轮并挂上砝码盘，两小车尾部细线连到控制装置上，实验时通过控 制装置使两小车同时开始运动，然后同时停止.
思路点拨：应使细线平行于水平轨道，以减小误差；使砝码盘和砝码总质量 比小车质量小得多，才能近似认为小车所受拉力与砝码盘和砝码的重力相等.
解析：(1)拉小车的水平细线要与轨道平行.只有在砝码盘和砝码的总质量远小 于小车质量时，才能认为砝码盘和砝码的总重力等于细线拉小车的力.
细线与轨道平行(或水
平)　
远小
于　
(2)本实验通过比较两小车的位移来比较小车加速度的大小，能这样比较，是 因为 .
两小车从静止开始做匀加速直线运动，且两小车的运动时间相等　
［一题多变］
在上题中，若小车质量相等，经计算得出aⅠ∶aⅡ＝1∶2，这能比较拉力大小吗？
请解释.
解析：能.小车质量相等，aⅠ∶aⅡ＝1∶2，F＝ma，说明小车Ⅱ受到拉力大， FⅠ∶FⅡ＝1∶2.
答案：见解析
A. 1∶3 B. 3∶1 C. 1∶1 D. 无法确定
B
学习任务二 探究加速度与力、质量的定量关系
教材新知梳理
1. 实验装置(如图所示)
气垫导轨：减小轨道摩擦.
光电门：光电门对时间的记录是非常准确的，如果能测得挡光片的宽度ΔL和 挡光片经过光电门的时间Δt，就可以求得挡光片通过光电门的平均速度.如果 挡光片很窄，可以认为这个速度就是挡光片通过光电门的 速度.
瞬时　
2. 实验原理：实验的基本思想——控制变量法
(1)保持研究对象即滑块的 不变，改变小桶中的橡皮泥质量，即改 变 ，探究加速度与所受合外力之间的定量关系.
(2)保持滑块所受的 不变，即保持小桶中的橡皮泥质量不变，改变滑 块质量，研究加速度与质量之间的定量关系.
质量　
拉力　
拉力　
3. 实验数据的图像表示
倾斜的直线　
关键核心突破
1. 实验原理
(1)控制变量法
①保持滑块的质量不变，改变其所受合外力，探究a与F的关系.
②保持滑块所受的合外力不变，改变其质量，探究a与M的关系.
(2)三个物理量的测量方法
①滑块质量的测量
利用天平测出，在滑块上增减砝码可改变滑块的质量.
②拉力的测量
在小桶和橡皮泥的质量远小于滑块质量的情况下，可以认为小桶和橡皮泥的 重力近似等于滑块受到的拉力，即F≈mg.
③加速度的测量
2. 实验器材：气垫导轨、滑块(包括遮光条)、小桶、橡皮泥、光电门、数字 计时器、砝码、天平.
3. 实验与探究
(1)实验装置如图所示，让滑块在小桶和橡皮泥拉力的作用下做加速运动，记 录下滑块通过光电门的速度、小桶和橡皮泥的质量、两光电门之间的距离.
(2)保持滑块质量不变，通过增加(或减少)橡皮泥的质量来改变拉力的大小.重 复实验3次.
(3)将实验结果填入表一，并计算每一次滑块的加速度a.
表一
滑块质量M＝ 　　kg
砝码 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 距离 s/m 滑块加速度的计算值
a/(m s－2)
(4)用纵坐标表示加速度，横坐标表示作用力，根据实验结果画出滑块运动的 a－F图像，从而得出a与F的关系.
(5)保持小桶和橡皮泥的质量不变，即滑块所受的拉力不变，记下滑块通过光 电门的速度v1、v2.
在滑块上增加(或减少)砝码来改变滑块的质量，重复进行几次实验，记下实 验数据，将实验结果填入表二.
表二
拉力F＝ 　　N
滑块(含 砝码)的 质量 M/kg 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) 两光电门间的距离s/m 滑块加速度的计算值a/(m s－2)
4. 实验数据的处理方法——图像法、“化曲为直”法
(1)研究加速度a和力F的关系，以加速度a为纵坐标，以力F为横坐标，根据测 量数据描点，然后作出图像，如图甲所示，若图像是一条通过原点的倾斜直 线，就能说明a与F成正比.
　　　　
5. 实验注意事项
(1)气垫导轨是较精密仪器，实验中必须避免导轨受碰撞、摩擦而变形、损 伤，没有给气垫导轨通气时，不准在导轨上强行推动滑块.
(2)实验时滑块的速度不能太大，以免在与导轨两端缓冲弹簧碰撞后跌落而使 滑块受损.
(3)实验中滑块由静止释放，应防止小桶摆动且滑块最好在同一位置处释放， 这样便于检查数据的准确性.
(4)用图像法处理实验数据，作图时应使尽可能多的点在直线上，不在直线上 的点尽可能分布在所作直线的两侧，偏离直线太远的点应舍弃掉.
【典例2】 在“探究加速度与质量的关系”的实验中.
　 　
(1)备有器材：A. 带定滑轮的长木板；B. 电磁打点计时器、低压交流电源、 纸带；C. 细绳、小车、砝码；D. 装有细砂的小桶；E. 薄木板；F. 毫米刻度 尺.还缺少的一件器材是 .
解析：(1)本题要测量小车的质量，则需要天平，所以还缺少的一件器材 是天平.
天平　
(2)实验得到如图甲所示的一条纸带，相邻两计数点间的时间间隔为T；测得 AB、BC、CD、DE的距离分别为s1、s2、s3、s4，根据纸带可求出打C点时小 车的速度表达式为vC＝ ，小车加速度的表达式为a ＝ .
0.020(0.018～0.022均正确)　
解析：(4)由题图丙可知，图线不通过坐标原点，当F为某一值时，加速度为零，可知未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足.
未
平衡摩擦力或平衡摩擦力不足　
［跟踪练习］
2. 某同学利用如图甲所示的实验装置，探究小车的加速度和它所受拉力F 的关系.
(1)除备有4个50 g钩码外，另有下列实验器材备选：
A. 质量为300 g的小车
B. 质量为2 kg的小车
C. 输出电压为4～6 V的直流电源
D. 输出电压为4～6 V的交流电源
为保证实验成功，选用的实验小车应为 ，电源应为 (选填字母代 号).
B　
D　
解析：(1)当m M时，即钩码的总质量m远远小于小车的质量M时，绳子的拉
力近似等于钩码的总重力，由题意可知，选用的实验小车应为质量为2 kg的
小车，即选B；电源应为输出电压4～6 V的交流电源，即选D.
解析：(2)由题图乙可知，a－F图像不过原点，在a轴上有截距，即F＝0时有 加速度，这是由于在平衡摩擦力时，木板被垫得太高，木板倾角过大，平衡 摩擦力过度造成的.
(2)某同学正确选择实验器材后，通过实验得到如图乙所示的a－F图像，造
成图线未过坐标原点的原因是是 .
平衡摩擦力时，木板倾角过大
1. 图甲为某同学“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置示意图，电火 花计时器打点的时间间隔用T表示，小车的加速度可由小车后面拖动的纸带上 打出的点计算得出，回答以下问题：
(1)电火花计时器使用 (选填“6”或“220”)V的 (选填“交 流”或“直流”)电源.
解析：(1)电火花计时器使用220 V交流电源.
(2)实验之前需要平衡摩擦力，平衡摩擦力的方法如下：将木板的右端垫高， 让小车在木板上运动，直到小车可以做 (选填“匀速”或“加速”) 运动时为止.
解析：(2)实验之前需要平衡摩擦力，平衡摩擦力的方法如下：将木板的右端 垫高，让小车在木板上运动，直到小车可以做匀速运动时为止.
220　
交流　
匀速　
(3)实验时，应在释放纸带 (选填“之前”或“之后”)接通电火花计 时器的电源.
解析：(3)实验时，应在释放纸带之前接通电火花计时器的电源.
(4)如图乙为该同学打出的一条纸带，纸带上有O、A、B、C、D、E和F等计 数点，测得O到C的距离为s1，C到F的距离为s2，用s1、s2和T表示出小车的加 速度a＝ .
之前　
2. 在探究物体的加速度与合外力的关系实验中：
某同学用图甲装置：保持小车(含车中重物)的质量M不变，细线下端悬挂钩码 的总重力mg作为小车受到的合力F，用打点计时器测出小车运动的加速度a.
(1)关于实验操作，下列说法正确的是 .
A. 实验前应调节滑轮高度，使滑轮和小车间的细线与木板平行
B. 平衡摩擦力时，在细线的下端悬挂钩码，使小车在细线的拉力作用下能匀 速下滑
C. 每次改变小车所受的拉力后都要重新平衡摩擦力
解析：(1)实验前应调节滑轮高度，使滑轮和小车间的细线与木板平行，故A 正确；平衡摩擦力时，应不挂钩码，使小车拖着纸带能在木板上匀速下滑， 故B错误；每次改变小车所受的拉力后都不需要重新平衡摩擦力，故C错误.
A　
(2)图乙中，出现A的原因是 .
图乙中，出现C的原因是 .
解析：(2)题图乙中A，当F＝0时，加速度不为零，可知出现A的原因是平衡 摩擦力过度；图中C，当拉力等于一定值时小车才有加速度，则出现C的原因 是平衡摩擦力不足或未平衡摩擦力.
平衡摩擦力过度　
平衡摩擦力不足或未平衡摩擦力　
3. 如图所示为某同学所安装的“探究加速度与力、质量的定量关系”的实验 装置，在图示状态下开始做实验，该同学的装置和操作中的主要错误是(至少 写出三个错误)：
(1) 　 　.
解析：由题图可知，本实验存在以下错误：
(1)长木板右端未垫高以平衡摩擦力(或没有平衡摩擦力)；
(2) 　 　 .
解析：(2)错用了直流电源(或应该用交流电)；
(3) 　 　 .
解析：(3)牵引小车的细线与板不平行；
(4)开始实验时，小车离滑轮太近(或小车离打点计时器太远、牵引小车的细线 太短).
答案：见解析
4. 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，当滑行器通过G1、G2两光 电门时，光束被遮挡的时间Δt1、Δt2都可以被测量并记录，滑行器连同上面固 定的一条形挡光片的总质量为M，挡光片宽度为D，光电门间距为s，砝码的 质量为m.回答下列问题.
(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？
见解析
解析：(1)如果气垫导轨水平，则不挂砝码时，M应能在任意位置静止不动， 或推动M后能使M匀速运动，或数字计时器记录每一个光电门的光束被挡的 时间Δt都相等.
(2)若取M＝0.4 kg，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值不符合条件的 是 .
A. m1＝5 g B. m2＝15 g
C. m3＝40 g D. m4＝400 g
D　
解析：(2)应满足M m，故m4＝400 g不合适.
(3)在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，则加速度的表达式 为
(用Δt1、Δt2、D、s表示).