第四章　2　实验探究加速度与力、质量的关系—2020-2021【新教材】人教版（2019）高中物理必修第一册课件(共44张PPT)

(共44张PPT)
2　实验:探究加速度与力、质量的关系
必备知识
自我检测
一、实验目的
1.学会用控制变量法研究物理规律。
2.探究加速度与力、质量的关系。
3.学会用图像法处理数据,得出结论。
二、实验原理
用控制变量法分别来探究加速度与合外力、质量的关系。
1.加速度与力的关系
保持小车的质量M不变,改变小车的拉力,测量不同拉力F作用下的加速度a,分析a与F的关系。?
2.加速度与质量的关系
保持小车所受拉力F(槽码)不变,改变小车质量(增减小车砝码质量),测量不同质量的小车在恒力F下的加速度,分析a与M的关系。?
必备知识
自我检测
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,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。
四、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)。
必备知识
自我检测
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。
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。
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。
必备知识
自我检测
7.改变小车上砝码的个数,重复步骤6,并多做几次。
必备知识
自我检测
五、数据处理
1.根据表1的数据:以a为纵坐标、F为横坐标,根据数据作a-F图像,分析a与F的关系。
必备知识
自我检测
3.实验结论
(1)保持物体质量不变时,物体的加速度a与所受力F成正比。
(2)在力F不变时,物体的加速度a与质量M成反比。
必备知识
自我检测
1.正误辨析
(1)本实验研究的是物体所受的某一个力与物体加速度的关系。(　　)
(2)实验假设应该从最简单的情况进行猜想。(　　)
答案:×　
解析:研究的是物体所受的合力与加速度的关系,而非某一个力。
答案:√　
解析:先检验最简单的假设,如果不成立,再检验其他复杂的猜想。
必备知识
自我检测
(3)实验中作直线拟合的方法是让每个点都要在一条直线上。
(　　)
(4)多次进行实验,得到的结论一定是准确的。(　　)
答案:×　
解析:作直线拟合的方法是较多的点在一条直线上,其他不在直线上的点均匀分布在线的两侧。
答案:×　
解析:多次实验得到的结论仍然具有猜想和推断的性质,只有根据这些结论推导出的很多新结果与事实一致时,这样的结论才真正正确。
必备知识
自我检测
2.在研究物体的加速度、作用力和质量三个物理量的关系时,我们用实验研究了小车“在质量一定的情况下,加速度和作用力之间的关系”;又研究了“在作用力一定的情况下,加速度和质量之间的关系”。这种研究物理问题的科学方法是(　　)
A.建立理想模型的方法
B.控制变量法
C.等效替代法
D.类比法
答案:B　
解析:研究三个或三个以上物理量间的关系时通常采用控制变量法。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
实验原理与操作
情景探究
在探究加速度与外力间的关系时,得到的图像如图中甲和乙所示,则出现此种现象的原因是什么?
要点提示甲图说明平衡摩擦力时,木板倾角过大了,即拉力F=0时,已产生加速度,此加速度是由小车重力的分力形成的。乙图说明平衡摩擦力不够或根本没有平衡摩擦力,因为当拉力增大到一定程度时才产生加速度。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
知识点拨
实验注意事项
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。
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。
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。
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。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
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。
画龙点睛
实验操作过程中,可以用气垫导轨替代长木板,就可以不用补偿阻力,可以利用传感器测量作用在小车上的力,可以避免对槽码质量的限制。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
实例引导
例1(2019湖北黄石高一上期末)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的关系的实验中,某同学安装的实验装置和设计的实验步骤如下:
A.用天平称出小车和槽码的质量
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6
V电压的蓄电池上,接通电源,释放小车,电磁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
问题一
问题二
问题三
随堂检测
(1)请改正实验装置图中的错误。
①电磁打点计时器位置　　　;?
②小车位置　　　　　　;?
③滑轮位置　　　　　。?
(2)该同学漏掉的重要实验步骤是　　　,该步骤应排在步骤
　　　之后。?
(3)在上述步骤中,有错误的是步骤　　　,应把　　　改为　　　。?
(4)在上述步骤中,处理不恰当的是步骤　　　　,应把　　　改为　　　。?
问题一
问题二
问题三
随堂检测
解析:(1)①电磁打点计时器应固定在长木板无滑轮的一端,且应靠右端;②释放小车时,小车应靠近打点计时器;③连接小车的细绳应平行于木板,故应调节滑轮位置使细绳平行于木板。
(2)实验时应补偿阻力,使小车所受重力沿木板方向的分力与小车所受摩擦力平衡,故应垫高长木板右端以平衡摩擦力。实验中把槽码的重力看成与小车所受拉力大小相等,没有考虑摩擦力,故必须补偿阻力且应排在步骤B之后。
(3)步骤D中电磁打点计时器接在6
V电压的蓄电池上将无法工作,必须接在约为8
V交流电源上。
(4)步骤G中作a-M关系图像,得到的是曲线,很难进行正确的判断,必须“化曲为直”,改作a-
关系图像。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
答案:(1)①应靠右端　②应靠近打点计时器　③应使细绳平行于木板　(2)补偿阻力
B　
(3)D　6
V电压的蓄电池　约为8
V
的交流电源　(4)G　作a-M关系图像　作a-
关系图像
规律方法
(1)明确打点计时器的工作条件。
(2)明确需要测量的物理量和实际测量量是否一致。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
变式训练1关于“探究加速度与力、质量的关系”的实验操作,下列说法符合实际的是(　　)
A.通过同时改变小车的质量m及受到的拉力F的研究,能归纳出加速度、力、质量三者之间的关系
B.通过保持小车质量不变,只改变小车的拉力的研究,就可以归纳出加速度、力、质量三者之间的关系
C.通过保持小车受力不变,只改变小车质量的研究,就可以得出加速度、力、质量三者之间的关系
D.先不改变小车质量,研究加速度与力的关系;再不改变小车受力,研究加速度与质量的关系,最后归纳出加速度、力、质量三者之间的关系
答案:D　
解析:做本实验时采用的是控制变量法。必须控制某一量不变研究加速度与另一量的关系,不可能同时改变质量和力,故只有D正确。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
数据处理与误差分析
情景探究
某同学在探究加速度与合外力关系的实验时,将牵引物重力等同于细线对小车的拉力,根据打点计时器打出的纸带得到小车加速度,绘制了a-F图像如图所示。
(1)如何根据纸带上的点迹分布获取加速度?
(2)图像一开始为直线,随着拉力F的增大,细线为什么发生了弯曲?
问题一
问题二
问题三
随堂检测
要点提示(1)利用逐差法计算小车的加速度。
(2)实验原理不完善造成系统误差:此处F为牵引物重力,并非实际作用于小车的拉力,牵引物(槽码)的总质量越小,误差越小。拉力F很大时,AB段明显偏离直线,即所挂重物质量太大,不满足远小于小车和车中钩码总质量的条件。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
知识点拨
1.数据处理
(1)计算加速度——先在纸带上标明计数点,测量各计数点间的距离,根据逐差法计算各条纸带对应的加速度。
(2)作图像找关系——根据记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力F,建立直角坐标系,描点画a-F图像,如果图像是一条过原点的倾斜直线,便证明加速度与作用力成正比。再根据记录的各组对应的加速度a与小车和砝码总质量M,建立直角坐标系,描点画a-图像,如果图像是一条过原点的倾斜直线,就证明了加速度与质量成反比。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
2.误差分析
问题一
问题二
问题三
随堂检测
实例引导
例2(2019辽宁省实验中学分校高一上期末)某组同学设计了“探究加速度a与物体所受合力F及物体质量m的关系”实验。如图甲为实验装置简图,A为小车,B为电火花打点计时器,C为装有细沙的小桶,D为一端带有定滑轮的长方形木板,实验中认为细绳对小车拉力F等于细沙和小桶的总重力,小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得。
(1)某次实验时,测得小车和小车上的钩码总质量为800
g,则细沙和小桶的总质量较为合理的是　　　　。?
A.50
g
B.500
g
C.5
kg
D.50
kg
问题一
问题二
问题三
随堂检测
(2)如图乙为某次实验得到的纸带,已知实验所用电源的频率为50
Hz。根据纸带可求出电火花计时器打B点时的速度为　　　　
m/s,小车的加速度大小为　　　　
m/s2。(结果均保留两位小数)?
问题一
问题二
问题三
随堂检测
(3)在“探究加速度a与物体质量m的关系”时,某同学按照自己的方案将实验数据都在坐标系中进行了标注,但尚未完成图像(如图丙所示)。请继续帮助该同学作出坐标系中的图像。
(4)在“探究加速度a与合力F的关系”时,该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图丁所示,图线不通过坐标原点的原因是　　　　　　　。?
丙
丁
问题一
问题二
问题三
随堂检测
解析:(1)为了使细绳对小车拉力F等于细沙和小桶的总重力,则需要满足小车和小车上的钩码总质量远远大于细沙和小桶的总重力,若小车和小车上的钩码总质量为800
g,则细沙和小桶的总质量较为合理的是50
g,故A正确,BCD错误。
(2)AC这段位移的平均速度等于AC这段时间中间时刻的瞬时速度,即B点的瞬时速度,故
由逐差法求解小车的加速度,
问题一
问题二
问题三
随堂检测
(3)根据描点法作出图像,如图所示。
(4)图线不通过坐标原点,F不为零时,加速度仍为零,知实验前没有补偿阻力或者补偿阻力不够。
答案:(1)A　(2)1.63　1.72　(3)如图所示　(4)没有补偿阻力或者补偿阻力不够
问题一
问题二
问题三
随堂检测
规律方法
分析纸带类问题的思路
(1)瞬时速度的求法:根据中间时刻的瞬时速度等于这段位移的平均速度,求解某点的瞬时速度。
(2)加速度的求法:根据逐差法,即Δx=aT2,求解小车的加速度。
(3)寻找两物理量的关系:
问题一
问题二
问题三
随堂检测
变式训练2用如图(a)所示的实验装置探究加速度a与物体所受合力F的关系:
(1)某同学通过实验得到如图(b)所示的a-F图像,造成这一结果的原因是:在补偿阻力时木板与水平桌面间的倾角　　　　　(选填“偏大”或“偏小”)。?
问题一
问题二
问题三
随堂检测
(2)为了便于探究、减小误差,应使小车质量M与砝码的总质量m满足　　　　　的条件。?
(3)某同学得到如图所示的纸带。已知打点计时器电源频率为50
Hz。A、B、C、D、E、F、G是纸带上7个连续的点。Δs=sDG-sAD=　　　　　
cm。由此可算出小车的加速度a=　　　　　
m/s2(加速度值保留两位有效数字)。?
问题一
问题二
问题三
随堂检测
解析:(1)根据所给的F-a图像可知,当F=0时,小车已经有了加速度a0,所以肯定是在补偿阻力时木板与水平桌面间的倾角偏大造成的。
(2)只有当M?m时,小车受到的拉力才近似等于mg,从而减小误差。
(3)由图读出sAD=2.10
cm,sDG=3.90
cm,所以Δs=sDG-sAD=1.80
cm,根据Δs=aΔt2,解得a=5.0
m/s2。
答案:(1)偏大　(2)M?m　(3)1.80　5.0
问题一
问题二
问题三
随堂检测
实验创新
情景探究
实验中,将长木板用气垫导轨替代,使小车在气垫导轨上运动,是否需要补偿阻力?
要点提示小车运动过程中的阻力主要来源为小车所受的摩擦力,当小车在气垫导轨上运动时,小车和气流之间的阻力忽略不计,故不需要补偿阻力。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
知识点拨创新实验的创新模式
1.在原型实验的基础上局部创新,克服掉原型实验中某方面的弊端。
2.在原型实验的基础上实验仪器的创新,简化原实验的操作流程使其简化。
3.实验原理的创新。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
实例引导
例3(2019浙江嘉兴一中高一上期中)在用DIS“研究小车加速度与力的关系”实验时,所用实验装置如图甲所示,重物通过细线跨过滑轮拉相同质量的小车,用位移传感器测定位移,用力传感器测得拉力F,改变重物的重力重复实验多次,记录多组数据,并画出a-F图像。
甲
问题一
问题二
问题三
随堂检测
(1)该实验中,　　　(选填“需要”或“不需要”)满足“小车的质量远大于重物的质量”的条件。?
(2)符合该实验方案得出的实验图像应是图乙中的　　　(填字母代号)。?
问题一
问题二
问题三
随堂检测
解析:(1)小车受到的拉力由力传感器测得,不再用重物的重力大小充当,因此不需要小车的质量远大于重物的质量。
(2)本实验克服了常规实验中的系统误差,加速度与拉力成正比,a-F图像为直线B。
答案:(1)不需要　(2)B
问题一
问题二
问题三
随堂检测
变式训练3用DIS系统研究加速度与作用力的关系。实验步骤如下:
①用天平测小车的质量。
②测量钩码的重力(作为对小车的拉力)。
③在轨道上放置小车并安装传感器,连接线路,用细线连接小车,跨过滑轮系住小钩码,释放小车测定加速度。
④将上述测得的数据记录在表格中。
⑤保持小车质量不变,改变钩码的质量大小重复实验。
⑥处理实验数据,归纳得出结论。
为了减小实验误差本实验应注意:①　　　　　　,②　　　　　　　,③　　　　　　。?
问题一
问题二
问题三
随堂检测
解析:根据实验原理,本实验也要补偿阻力,使细线的拉力等于小车受到的合力。
小车与轨道的摩擦力较大时,DIS测量误差较大,故应是小车与轨道的摩擦力要小。
DIS直接测量拉力,故不要求钩码的质量要远远小于小车的质量,但是如果钩码的质量较大,不利于实验,故应是钩码的质量小一些。
答案:①补偿阻力　②小车与轨道的摩擦力要小　③钩码的质量小些
问题一
问题二
问题三
随堂检测
1.在利用打点计时器和小车来做探究加速度与力、质量的关系的实验时,下列说法不正确的是(　　)
A.补偿阻力时,应将槽码通过定滑轮拴在小车上
B.连接槽码和小车的细绳应跟长木板保持平行
C.补偿阻力后,长木板的位置不能移动
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
答案:A　
解析:选项A中补偿阻力时,不能将槽码拴在小车上,选项A说法错误;选项B、C、D符合正确的操作方法,选项B、C、D说法正确。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
2.为了验证“当质量一定时,物体的加速度与它所受的合力成正比”的结论是否正确,一组同学用图甲所示的装置进行实验,并将得到的实验数据描在图乙所示的坐标图中。
问题一
问题二
问题三
随堂检测
(1)关于该实验,下列叙述正确的是(　　)
A.保持小车的质量不变,改变沙和桶的总质量
B.保持沙和桶的总质量不变,改变小车的质量
C.保持小车和沙桶的质量均不变
D.同时改变小车和沙桶的质量
(2)在图乙中作出a-F图线。
(3)由a-F图线可以发现,该组同学实验操作中遗漏了　　　这个步骤。?
(4)根据a-F图线可以求出小车的质量是　　　(保留两位有效数字)。?
乙
问题一
问题二
问题三
随堂检测
解析:(1)本实验为了验证“当质量一定时,物体的加速度与它所受的合力成正比”的结论是否正确,所以要保持小车的质量不变,改变沙和桶的总质量,从而改变小车所受的拉力,A正确,BCD错误;
(2)如图为作出的a-F图线。
(3)从上图中发现直线没过原点,当F≤0.2
N时,a=0。也就是说当绳子上有拉力时小车的加速度还为0,说明小车的摩擦力与绳子的拉力抵消。该组同学实验操作中遗漏了补偿阻力这个步骤;
问题一
问题二
问题三
随堂检测
(4)根据F=ma
变形得:a=
F
可知a-F图线的斜率表示小车质量的倒数,则有:
解得:m=0.25
kg
答案:(1)A
(2)
(3)补偿阻力
(4)0.25
kg