人教版必修第一冊第四章2實驗探究加速度與力質(zhì)量的關(guān)系學(xué)案

2實驗:探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系［學(xué)習(xí)目標(biāo)］.知道探究加速度、質(zhì)量、力三者關(guān)系的實驗方案,體會用“控制變量法”研究物理規(guī)律。.會使用基本的力學(xué)實驗器材獲取加速度、力、質(zhì)量等數(shù)據(jù),并作出加速度與力、加速度與質(zhì)量的關(guān)系圖像,能根據(jù)圖像得出加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。.領(lǐng)會近似思想以及化曲為直的轉(zhuǎn)化思維,知道平衡摩擦力的方法，會對實驗誤差做初步分析。一、實驗原理應(yīng)用如圖所示的實驗裝置，小車的加速度由紙帶測此小車的質(zhì)量由天平測得,外力即為槽碼的質(zhì)量。在探究加速度與力及小車質(zhì)量的定量關(guān)系時，用到的基本方法是控制變量法,HP：⑴保持小車質(zhì)量不變，通過改變槽碼的個數(shù)改變小車所受的拉力。⑵保持小車所受的拉力不變,通過在小車上增加重物改變小車的質(zhì)量。二、實驗器材打點計時器、紙帶、復(fù)寫紙、小車、一端有定滑輪的長木板、槽碼、夾子、細繩、低壓交流電源、導(dǎo)線、天平（帶有一套祛碼）、刻度尺、薄木板。三、實驗步驟.用天平測出小車和槽碼的質(zhì)量m和m',把數(shù)據(jù)記錄在表格中。.按實驗裝置圖把實驗器材安裝好,使長木板有滑輪的一端伸出桌面。.在長木板不帶定滑輪的一端下面墊上薄木板,通過前后移動,來補償阻力。.把細繩系在小車上并跨過定滑輪,此時要調(diào)節(jié)定滑輪的高度使細繩與木板平行。.將小車放在靠近打點計時器處,掛上槽碼,接通電源,放開小車得到一條打好點的紙帶（注意不要讓小車撞到定滑輪,打好點的紙帶要標(biāo)明條件m=?,二?）。.保持小車的質(zhì)量不變,改變槽碼的個數(shù),按上面步驟再做幾次實驗。.在每條紙帶上都要選取一段比較理想的部分,算出每條紙帶加速度的值并記錄在表格中。實驗次數(shù)12345a/(m?s-2)小車受力F/N.保持槽碼質(zhì)量不變,在小車上放祛碼改變小車的質(zhì)量,重復(fù)上面的實驗。把各次實驗中的數(shù)據(jù)填入表格內(nèi)。實驗次數(shù)12345a/(m?s2)槽碼總質(zhì)量m/kg-/kg-1m.用縱坐標(biāo)表示加速度a,橫坐標(biāo)表示拉力F,即槽碼重力mzg,根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描出相應(yīng)的點并作圖線。.用縱坐標(biāo)表示加速度a,橫坐標(biāo)表示小車質(zhì)量的倒數(shù)工,在坐標(biāo)系m中根據(jù)實驗數(shù)據(jù)描出相應(yīng)的點并作圖線。四、數(shù)據(jù)處理.加速度的測量方法一:在小車上安裝一條打點計時器的紙帶,根據(jù)紙帶上打出的點由逐差法求加速度，即Ax=al?。方法二:這個實驗中也可以不測出加速度的具體數(shù)值,因為我們探究的是加速度與其他量之間的比例關(guān)系。因此,可以只測量不同情況下(即不同受力時、不同質(zhì)量時)加速度的比值就可以了。由于a二||,如果測出兩個初速度為零的勻加速運動在相同時間內(nèi)發(fā)生的位移XI、X2,位移之比就是加速度之比，即也二包。.以a為縱坐標(biāo),F為橫坐標(biāo),根據(jù)各組數(shù)據(jù)描點、連線,如果這些點在一條過原點的直線上,說明a與F成正比,如圖甲所示。.以a為縱坐標(biāo),三為橫坐標(biāo),根據(jù)各組數(shù)據(jù)描點、連線,如果這些點m在一條過原點的直線上,說明a與田成反比,如圖乙所示。五、誤差分析六、注意事項產(chǎn)生原因減小方法偶質(zhì)量測量不準(zhǔn)、計數(shù)點多次測量求平均值然間距測量不準(zhǔn)誤小車所受拉力測量不(1)盡量減小阻力的影響。差準(zhǔn)(2)使細繩和紙帶平行于木板作圖不準(zhǔn)使盡可能多的點落在直線上或均勻分布在直線兩側(cè),誤差較大的點舍去系統(tǒng)誤槽碼的重力代替小車所受的拉力槽碼質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量差.補償阻力：補償阻力時不要掛槽碼,應(yīng)連著紙帶且通過打點計時器的限位孔,將長木板傾斜一定角度,此時小車在斜面上受到的合力為零。補償了阻力之后,不管以后是改變槽碼的個數(shù),還是改變小車的質(zhì)量，都不需要重新補償阻力。.實驗控制條件:必須滿足小車和祛碼的總質(zhì)量遠大于槽碼的總質(zhì)量。只有‘如止匕槽碼的總重力才可視為與小車受到的拉力相等。推導(dǎo):實際上，細繩的拉力不等于槽碼的重力,理論上g=(m+m')a,由F二ma,得F二"'g;只有當(dāng)時，才有F二m'm+mg,即可認為細繩的拉力等于槽碼的重力。(參見下一節(jié)牛頓第二定律).小車應(yīng)靠近打點計時器且先接通電源再放手。.作圖像時,要使盡可能多的點落在所作直線上,不在直線上的點應(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)，離直線較遠的點應(yīng)該舍去不予考慮。類型一實驗原理及實驗操作[典例1]（2022?金華期末）如圖所示為“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗裝置。⑴實驗可能用到的兩種打點計時器構(gòu)造如圖所示，以下說法正確的是。（多選）A.圖甲是電磁打點計時器，圖乙是電火花計時器B.圖甲使用的電源是交流220V,圖乙使用的電源是直流8V左右C.電磁打點計時器和電火花計時器在本實驗中的作用是相同的D.利用打點計時器可以直接測量計數(shù)點的瞬時速度。⑵某次實驗過程中，打出了一條紙帶，打點計時器打點的時間間隔為0.02s,從比較清晰的點起,每5個點取一個計數(shù)點,量出相鄰計數(shù)點之間的距離,如圖丙所示。該小車的加速度a=m/s）（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）⑶關(guān)于補償阻力的說法正確的是。（多選）“補償阻力”的本質(zhì)就是讓小車受到的摩擦力為零“補償阻力”的本質(zhì)就是使小車所受重力沿斜面向下的分力與所受到的阻力平衡C.只要“補償阻力”，小車所受的合力就一定等于所掛槽碼的重力D.“補償阻力”是否成功,可根據(jù)實驗正確操作后,紙帶上的點跡間距是否均勻而確定解析：（1）圖甲是電磁打點計時器，圖乙是電火花計時器，故A正確；電磁打點計時器的電源是交流8V左右，電火花計時器的電源是交流220V,故B錯誤；電磁打點計時器和電火花計時器在本實驗中的作用是相同的,都是用來計時的儀器,故C正確;利用打點計時器可以直接測量計數(shù)點間的位移，但不能直接測出速度,需要利用公式計算,故D錯誤。⑵加速度為#,其中t=5T=0.1s,解得加速度為a^O.16m/s2o(3)實驗中“補償阻力”的本質(zhì)就是使小車所受重力沿斜面向下的分力與所受到的阻力平衡,且“補償阻力”是否成功,可根據(jù)實驗正確操作后,紙帶上的點跡間距是否均勻而確定，故B、D正確,A錯誤；“補償阻力”后，只有小車質(zhì)量遠大于槽碼的質(zhì)量,才能認為小車所受的合力等于所掛槽碼的重力，故C錯誤。答案：⑴AC(2)0.16(3)BD類型二數(shù)據(jù)處理與誤差分析［典例2］在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗中，某實驗小組將實驗器材組裝后，如圖所示為釋放小車前瞬間的情境。(圖甲為實際拍攝圖，圖乙為相應(yīng)的簡圖)⑴在接通電源進行實驗之前，請你指出圖中的錯誤或不妥之處(寫出兩處即可)：①;②。(2)改正實驗裝置后,該組同學(xué)順利地完成了實驗。同組的四位同學(xué)利用同一條紙帶求小車運動的加速度，分別作出了如圖丙所示的四幅圖像，其中最規(guī)范的是。解析：(1)電磁打點計時器使用的是低壓交流電源,而不是直流電源；接通電源前，小車應(yīng)緊靠打點計時器,而在題圖中小車初始位置離打點計時器太遠；另外該實驗需要平衡摩擦力，使得小車所受合力等于細繩的拉力。（2）描繪圖像時取坐標(biāo)單位不能隨意,要使得大部分點落在整個坐標(biāo)區(qū)域中，故A、D錯誤;描完點后，先大致地判斷這些點是不是在一直線上,然后畫一直線,讓這些點均勻地分布在這條直線的兩側(cè)，故B錯誤,C正確。答案：（1）①電磁打點計時器未使用約為8V的低壓交流電源;②小車未靠近打點計時器;③沒有平衡摩擦力（寫出兩處即可）（2）C實驗數(shù)據(jù)的處理方法一一圖像法、“化曲為直”法⑴研究加速度a和力F的關(guān)系。以加速度a為縱坐標(biāo),力F為橫坐標(biāo),根據(jù)測量數(shù)據(jù)描點,然后作出圖像,如圖甲所示,若圖像是一條通過原點的直線,就能說明a與F成正比。⑵研究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系。如圖乙所示,因為a-m圖像是曲線,難以判斷a-m圖像是不是雙曲線；若a和m成反比，則a與三必成正比。我們采取“化曲為直”的方法,m以a為縱坐標(biāo)，上為橫坐標(biāo)，作出a」圖像,若a」圖像是一條直線,如mmm圖丙所示，說明a與三成正比，即a與m成反比。m類型三實驗創(chuàng)新與拓展［典例3］在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗中。⑴若采用如圖甲、乙所示的實驗裝置與方案,通過黑板擦控制兩小車的起動與停止,將測量兩車的加速度轉(zhuǎn)換為測量兩車的位移。實驗中不需要測量的物理量是（填字母代號）。A.小車運動的時間B.小車通過的位移C.盤和盤中重物的總質(zhì)量D.車和車上重物的總質(zhì)量⑵在用DIS“研究小車加速度與力的關(guān)系”實驗時，所用實驗裝置如四丙所示,重物通過細線跨過滑輪拉相同質(zhì)量小車,用位移傳感器測定位移,用力傳感器測得拉力F,改變重物的質(zhì)量重復(fù)實驗多次，記錄多組數(shù)據(jù),并畫出a_F圖像。①該實驗中，是否需要滿足小車的質(zhì)量遠大于重物的質(zhì)量？（選填“是”或“否”）o②符合該實驗方案得出的實驗圖像應(yīng)是圖丁中的（選填字母代號）o解析：（1）本實驗的特點是通過黑板擦控制兩小車的起動與停止，即兩小車同時起動，同時停止,所用時間完全相同，故不用測量小車運動的時間;將測量兩車的加速度轉(zhuǎn)換為測量兩車的位移，即該實驗需要測量兩車的位移。在初速度為零的勻變速直線運動中有位移x=1at2,