高中物理 第四章 牛頓運(yùn)動(dòng)定律 第2節(jié) 實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系課件 新人教必修1

1、2021/8/11 星期三1實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系1了解如何描述物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，明確物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變必有加速度2掌握一種科學(xué)的研究方法控制變量法3理解加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系，并知道得出這個(gè)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)思想和實(shí)驗(yàn)方法2021/8/11 星期三22021/8/11 星期三31實(shí)驗(yàn)原理(1)采用控制變量法當(dāng)研究對象有兩個(gè)以上的參量發(fā)生牽連變化時(shí)，我們設(shè)法控制某些參量使之不變，而研究其中兩個(gè)參量之間的變化關(guān)系的方法，是物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常采取的一種方法本實(shí)驗(yàn)有F、m、a三個(gè)參量，研究加速度a與F及m的關(guān)系時(shí)，我們應(yīng)先控制一個(gè)參量不變，研究另外兩個(gè)參量之間的關(guān)系在該實(shí)驗(yàn)中要求先控制小車的質(zhì)量m不變，

2、改變小車所受的拉力F，討論a與F的關(guān)系；再控制小車所受的拉力F不變，改變小車的質(zhì)量m，討論a與m的關(guān)系2021/8/11 星期三4(2)要測量的物理量小車與其上砝碼的總質(zhì)量M用天平測出小車受的拉力F用天平測出小盤和盤內(nèi)砝碼的總質(zhì)量m，由Fmg算出小車的加速度a通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶測算出2021/8/11 星期三52實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶及復(fù)寫紙、小車、一端附有定滑輪的長木板、小盤和砝碼、細(xì)繩、低壓交流電源、天平(帶有一套砝碼)、刻度尺一、探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系1用天平測出小車和重物的質(zhì)量分別為M0、m0，并把數(shù)值記錄下來2按下圖將實(shí)驗(yàn)器材安裝好(小車上不系繩)2021/8/11 星期

3、三63平衡摩擦力，把木板無滑輪的一端下面墊一薄木板，反復(fù)移動(dòng)其位置，直到打點(diǎn)計(jì)時(shí)器正常工作后不掛重物的小車在斜面上做勻速直線運(yùn)動(dòng)為止(紙帶上相鄰點(diǎn)間距相等)2021/8/11 星期三74將重物通過細(xì)繩系在小車上，接通電源放開小車，用紙帶記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況；取下紙帶并在紙帶上標(biāo)上號碼及此時(shí)所掛重物的重力m0g.(即小車受到的合力F)5保持小車的質(zhì)量不變，改變所掛重物的重力，重復(fù)步驟4，多做幾次實(shí)驗(yàn)，每次小車從同一位置釋放，并記錄好相應(yīng)紙帶及重物的重力m1g、m2g、(填入表格)6保持小車所受合外力不變，在小車上加放砝碼，并測出小車與所放砝碼的總質(zhì)量M1，接通電源，放開小車用紙帶記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況

4、，取下紙帶并在紙帶上標(biāo)上號碼7繼續(xù)在小車上加放砝碼，重復(fù)步驟6，多做幾次實(shí)驗(yàn)，在每次得到的紙帶上標(biāo)上號碼(記錄的數(shù)據(jù)填入表格)2021/8/11 星期三88數(shù)據(jù)處理(1)物體的質(zhì)量一定，加速度與受力的關(guān)系(表一)實(shí)驗(yàn)序號加速度a/ms2小車受力F/N1232021/8/11 星期三9實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)，作出a-F圖象，即在圖中描點(diǎn)、連線通過連線可知，在誤差允許的范圍內(nèi)，所描繪各點(diǎn)大致分布在同一條過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線上(2)物體的受力一定，加速度與質(zhì)量的關(guān)系(表二)2021/8/11 星期三10實(shí)驗(yàn)序號加速度a/ms2小車質(zhì)量m/kg123實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)作出力F不變時(shí)，am和

5、a圖象，在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)、連線，am圖象如圖甲所示，則由圖可知當(dāng)F不變時(shí)，m越大，a越小，有可能成反比，由此可知am圖象不易反映出相應(yīng)規(guī)律，若a與m成反比，則a與成正比，故作出F不變時(shí)的a的關(guān)系圖象，如圖乙所示2021/8/11 星期三119實(shí)驗(yàn)結(jié)論(1)保持物體質(zhì)量不變時(shí)，物體的加速度a與所受力F成正比(2)在力F不變時(shí)，物體的加速度a與質(zhì)量m成反比.2021/8/11 星期三12【誤差分析】1在實(shí)驗(yàn)中，我們認(rèn)為鉤碼的重力就等于小車所受的合力但這是有誤差的，只有在小車質(zhì)量比較大，鉤碼重力比較小，且板合理傾斜的情況下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果才比較理想2在長度測量過程中也存在偶然誤差，可多次測量取平均值3利用描

6、點(diǎn)作圖象使測出的點(diǎn)盡量對稱分布于直線兩側(cè)，離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)看做是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，可舍去不予考慮2021/8/11 星期三13【注意事項(xiàng)】1平衡摩擦力時(shí)不要掛重物，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后，不管以后是改變盤和砝碼的質(zhì)量還是改變小車及砝碼的質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力2實(shí)驗(yàn)中必須滿足小車和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤和砝碼的總質(zhì)量只有如此，砝碼和小盤的總重力才可視為與小車受到的拉力相等3各紙帶上的加速度a，都應(yīng)是該紙帶上的平均加速度4作圖象時(shí)，要使盡可能多的點(diǎn)在所作直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，可舍去不予考慮5小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器且先接通電源再放手2021/8/1

7、1 星期三14.若測得某一物體M一定時(shí)，a與F的關(guān)系的有關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示.a/ms21.984.065.958.12F/N1.002.003.004.002021/8/11 星期三15(1)根據(jù)表中數(shù)據(jù)，畫出aF圖象(2)從圖象可以判定：當(dāng)M一定時(shí)，a與F的關(guān)系是什么？【解析】若a與F成正比，則圖線是一條過原點(diǎn)的直線同時(shí)因?qū)嶒?yàn)中不可避免地出現(xiàn)誤差，研究誤差產(chǎn)生的原因，從而減小誤差增大實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，則在誤差允許的范圍內(nèi)圖線是一條過原點(diǎn)的直線即可連線時(shí)應(yīng)使直線過盡可能多的點(diǎn)，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)大致對稱分布在直線兩側(cè)，離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，不予考慮【答案】(1)aF圖象如下圖所示2021/8/

8、11 星期三16(2)由圖象可知a與F成正比關(guān)系2若測得某一物體受力F一定時(shí)，a與m的關(guān)系數(shù)據(jù)如下表所示.2021/8/11 星期三17a/ms22.042.663.233.98m/kg2.001.501.251.002021/8/11 星期三18(2)反比關(guān)系二、實(shí)驗(yàn)方案的探究1測量加速度的方案采用較多的方案是使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，在運(yùn)動(dòng)物體上安裝一條連接打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶，根據(jù)紙帶上2021/8/11 星期三19打出的點(diǎn)來測量加速度前面所述的實(shí)驗(yàn)方案，就是利用這種方法求取加速度的它是根據(jù)在勻變速直線運(yùn)動(dòng)中，連續(xù)相等的時(shí)間T內(nèi)的位移之差saT2求出加速度條件允許也可以采用氣墊導(dǎo)軌和光電門測加速度，也

9、可利用傳感器和計(jì)算機(jī)2021/8/11 星期三20如果物體做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，那么，測量物體加速度最直接的辦法就是用刻度尺測量位移并用秒表測量時(shí)間，然后由a 算出其實(shí)，在本節(jié)的實(shí)驗(yàn)中也可以不測加速度的具體數(shù)值，這是因?yàn)槲覀兲骄康氖羌铀俣扰c其他量之間的比例關(guān)系因此，測量不同情況下(即不同受力時(shí)、不同質(zhì)量時(shí))物體加速度的比值就可以了由于a，如果測出兩個(gè)初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)在相同時(shí)間內(nèi)發(fā)生的位移x1、x2，位移之比等于加速度之比，即.參考案例(一)2021/8/11 星期三21兩小車后端各系一條細(xì)繩，一起被一個(gè)夾子夾著而使小車靜止(如右圖)打開夾子，兩小車同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)；合上夾子，兩小車同

10、時(shí)停下來用刻度尺測出兩小車通過的位移，位移之比就等于它們的加速度之比2測量物體所受外力的方案由于我們上述測量加速度的方案只能適用于勻變速直線運(yùn)動(dòng)，所以我們必須給物體提供一個(gè)恒定的外力，并且要測量這個(gè)外力上述參考案例提供的外力比較容易測量參考案例(二)2021/8/11 星期三22兩個(gè)相同的小車放在光滑水平板上，前端各系一條細(xì)繩，繩的另一端跨過定滑輪各掛一個(gè)小盤，小盤中可放砝碼(如圖)實(shí)驗(yàn)時(shí)，小盤和砝碼牽引小車，使小車做勻加速運(yùn)動(dòng)的力與小盤和砝碼的重力相等(這兩個(gè)力只是近似相等，條件是小盤和砝碼的質(zhì)量比小車的質(zhì)量小很多通過以后的學(xué)習(xí)我們將會(huì)證明這一點(diǎn))因此，增減小盤中的砝碼就可以改變小車受到的合

11、力對于粗糙的平板，需進(jìn)行平衡摩擦力的操作2021/8/11 星期三23如右圖所示，在研究牛頓第二定律的演示實(shí)驗(yàn)中，若1、2兩個(gè)相同的小車所受拉力分別為F1、F2，車中所放砝碼的質(zhì)量分別為m1、m2，打開夾子后經(jīng)過相同的時(shí)間兩車的位移分別為x1、x2，則在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，有()2021/8/11 星期三24A當(dāng)m1m2、F12F2時(shí)，x12x2B當(dāng)m1m2、F12F2時(shí)，x22x1C當(dāng)F1F2、m12m2時(shí)，x12x2D當(dāng)F1F2、m12m2時(shí)，x22x1【解析】題中m1和m2是車中砝碼的質(zhì)量，不能認(rèn)為是小車的質(zhì)量本題中只說明了兩小車是相同的，并未告訴小車的質(zhì)量是多少當(dāng)m1m2時(shí)，兩車加砝

12、碼總質(zhì)量仍相等，若F12F2，則a12a2，由xat2得x12x2，A對當(dāng)F1F2時(shí)，若m12m2時(shí)，無法確定兩車加砝碼后的總質(zhì)量關(guān)系，兩小車的加速度關(guān)系也就不明確，故無法判定兩車的位移關(guān)系【答案】A2021/8/11 星期三25用如下圖所示的裝置研究在作用力F一定時(shí)，小車的加速度a與小車質(zhì)量M的關(guān)系，某位同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下：2021/8/11 星期三26A用天平稱出小車和小桶及內(nèi)部所裝砂子的質(zhì)量B按圖裝好實(shí)驗(yàn)器材C把輕繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛砂桶D將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在6 V電壓的蓄電池上，接通電源，放開小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，并在紙帶上標(biāo)明小車質(zhì)量E保持小桶及其中砂子的

13、質(zhì)量不變，增加小車上的砝碼個(gè)數(shù)，并記錄每次增加后的M值，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)F分析每條紙帶，測量并計(jì)算出加速度的值G作aM關(guān)系圖象，并由圖象確定aM關(guān)系2021/8/11 星期三27(1)該同學(xué)漏掉的重要實(shí)驗(yàn)步驟是_，該步驟應(yīng)排在_步實(shí)驗(yàn)之后(2)在上述步驟中，有錯(cuò)誤的是_，應(yīng)把_改為_(3)在上述步驟中，處理不恰當(dāng)?shù)氖莀，應(yīng)把_改為_2021/8/11 星期三28【解析】實(shí)驗(yàn)中把小桶及其中砂子的重力看做與小車所受拉力大小相等，沒有考慮摩擦力，故必須平衡摩擦力電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在6 V電壓的蓄電池上將無法工作，必須接在6 V以下交流電壓的學(xué)生電源上作aM關(guān)系圖象，得到的是2021/8/11 星期三29雙

14、曲線，很難作出正確的判斷，必須“化曲為直”，改作a關(guān)系圖象【答案】(1)該同學(xué)漏掉的重要實(shí)驗(yàn)步驟是平衡摩擦力，該步驟應(yīng)排在按圖裝好實(shí)驗(yàn)器材即B步實(shí)驗(yàn)之后(2)在上述步驟中，有錯(cuò)誤的是步驟D，應(yīng)把6 V電壓的蓄電池改為6 V以下交流電壓的學(xué)生電源(3)在上述步驟中，處理不恰當(dāng)?shù)氖遣襟EG，應(yīng)把a(bǔ)M改為a2021/8/11 星期三30在探究加速度和力的關(guān)系時(shí)，我們使用了兩個(gè)完全相同的小車，水平拉小車的繩的另外一端分別掛有不同數(shù)目的鉤碼，設(shè)鉤碼的數(shù)目與對小車的拉力成正比，且操作符合實(shí)驗(yàn)要求試根據(jù)下表中記錄的信息(表中小車位移單位為m)，得出加速度和力的關(guān)系.2021/8/11 星期三31實(shí)驗(yàn)次數(shù)第一次

15、第二次第三次項(xiàng)目鉤碼數(shù)目位移x鉤碼數(shù)目位移x鉤碼數(shù)目位移x小車110.1110.1120.23小車220.2330.3430.35【解析】由于兩小車的運(yùn)動(dòng)可近似看成是初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)小車運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t相同，由位移公式xat2可知，加速度和位移成正比關(guān)系，也就是說，要知道加速度和力的關(guān)系2021/8/11 星期三32怎樣，只需得出位移和力的關(guān)系由第一組數(shù)據(jù)可以知道，拉力之比為12，在誤差允許的范圍內(nèi)，位移之比為，近似為12.同樣分析另外兩組數(shù)據(jù)，會(huì)得出同樣的結(jié)論，即拉力和位移成正比，也就是說加速度和力成正比關(guān)系【答案】加速度和力成正比2021/8/11 星期三33某實(shí)驗(yàn)小組的幾名同學(xué)在

16、探究加速度與物體的質(zhì)量以及外力關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)物體的質(zhì)量一定時(shí)，分別根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出了不同的實(shí)驗(yàn)圖象，如下圖所示，下列說法中正確的是()2021/8/11 星期三34A形成圖甲的原因是平衡摩擦力時(shí)長木板傾角過大B形成圖乙的原因是平衡摩擦力時(shí)長木板傾角過小C形成圖丙的原因是平衡摩擦力時(shí)長木板傾角過大D形成圖丁的原因是平衡摩擦力時(shí)長木板傾角過小【解析】根據(jù)圖象可分析，甲、乙兩圖中，當(dāng)外力F0時(shí)加速度a0，則說明F0時(shí)已經(jīng)有加速度，2021/8/11 星期三35這說明木板傾角過大木板的傾角越大，小車獲得的動(dòng)力就越大，越容易出現(xiàn)甲、乙兩圖所對應(yīng)的情況，因此選項(xiàng)A正確丙、丁兩圖中，當(dāng)加速度a0時(shí)外力F0，即拉力不為零時(shí)加速度卻仍為零，這說明