高中新教材人教版物理課件必修第一冊(cè)第四章運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系2-實(shí)驗(yàn)探究加速度與力質(zhì)量的關(guān)系

第四章運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系2.實(shí)驗(yàn):探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)探究·新知導(dǎo)學(xué)典例精講·釋疑解惑隨堂練習(xí)課標(biāo)定位1.通過實(shí)驗(yàn)探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系。2.會(huì)測(cè)量加速度,掌握利用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。素養(yǎng)闡釋1.通過實(shí)驗(yàn)探究加速度與物體受力、物體質(zhì)量的關(guān)系,學(xué)會(huì)用控制變量法研究物理規(guī)律。2.通過分析和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用數(shù)學(xué)方法的能力,提高科學(xué)探究能力。

實(shí)驗(yàn)探究·新知導(dǎo)學(xué)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)會(huì)用控制變量法探究物理規(guī)律;2.探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系;3.掌握利用圖像處理數(shù)據(jù)的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1.控制變量法:(1)控制小車質(zhì)量不變,研究小車的加速度a與受力F的關(guān)系;(2)控制小車受力F不變,研究小車的加速度a與其質(zhì)量的關(guān)系。2.需要測(cè)量的量:(1)小車與砝碼總質(zhì)量;(2)小車所受拉力F;(3)小車的加速度a。三、實(shí)驗(yàn)器材小車、砝碼、槽碼、細(xì)線、一端附有定滑輪的長木板、墊木、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、交變電源、紙帶、刻度尺、天平。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.用天平測(cè)出小車的質(zhì)量,并把數(shù)值記錄下來。2.按如圖所示的裝置把實(shí)驗(yàn)器材安裝好(小車上先不系繩)。3.平衡摩擦力:在長木板不帶定滑輪的一端下面墊一木塊,反復(fù)移動(dòng)木塊位置,直到輕推小車在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí),小車可保持勻速直線運(yùn)動(dòng)(紙帶上相鄰兩點(diǎn)間距離相等)為止。4.將槽碼用細(xì)繩繞過定滑輪系在小車上,在小車上加放適量的砝碼,用天平測(cè)出槽碼的質(zhì)量m,記錄下來。接通電源,放開小車,待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打好點(diǎn)后取下紙帶,并設(shè)計(jì)表格如下。表1次數(shù)12345小車加速度a/(m·s-2)

拉力F/N

5.保持小車(含砝碼)的質(zhì)量不變,改變槽碼的個(gè)數(shù),再做5次實(shí)驗(yàn)。6.用公式Δx=aT2或a=求得小車的加速度a,并記錄到表格中。7.保持小車(含砝碼)所受的拉力不變,增減小車上加放砝碼的質(zhì)量,重復(fù)上面的實(shí)驗(yàn),求出相應(yīng)的加速度,把數(shù)據(jù)記錄到下面的表格中。表2次數(shù)12345小車加速度a/(m·s-2)

小車(含砝碼)質(zhì)量m'/kg

8.整理實(shí)驗(yàn)器材,結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

五、數(shù)據(jù)處理1.以a為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系,根據(jù)表1中記錄的數(shù)據(jù)作a-F圖像(如圖甲所示),找出規(guī)律,分析加速度a與拉力F的關(guān)系。3.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。六、誤差分析1.實(shí)驗(yàn)原理不完善造成系統(tǒng)誤差實(shí)驗(yàn)中用槽碼的重力代替小車受到的拉力(實(shí)際上小車受到的拉力要小于槽碼的重力),存在系統(tǒng)誤差;槽碼的質(zhì)量越接近小車的質(zhì)量,誤差就越大,反之,槽碼的質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量,誤差就越小。2.測(cè)量、操作不夠準(zhǔn)確造成偶然誤差(1)質(zhì)量的測(cè)量誤差。(2)紙帶上打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)間隔距離的測(cè)量誤差。(3)拉線或紙帶不與木板平行造成誤差。(4)平衡摩擦力不夠(或過度)造成的誤差,該誤差使作出的圖線在橫軸(或縱軸)上產(chǎn)生截距。七、注意事項(xiàng)1.打點(diǎn)前小車應(yīng)位于靠近(選填“靠近”或“遠(yuǎn)離”)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端,且應(yīng)先接通電源后釋放小車。2.在平衡摩擦力時(shí),不要(選填“要”或“不要”)懸掛槽碼,但小車應(yīng)連著紙帶且接通電源。用手輕輕地給小車一個(gè)初速度,如果在紙帶上打出的點(diǎn)的間隔均勻,表明小車受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡。3.在實(shí)驗(yàn)過程中,要始終保證槽碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。4.作圖時(shí)應(yīng)使所作的直線通過盡可能多的點(diǎn),不在直線上的點(diǎn)也要盡可能地對(duì)稱分布在直線的兩側(cè),但若遇到個(gè)別偏離較遠(yuǎn)的點(diǎn)可舍去。

典例精講·釋疑解惑一、實(shí)驗(yàn)操作及步驟【例題1】

(1)用如圖甲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(含砝碼)質(zhì)量m的關(guān)系,甲同學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下:A.用天平稱出小車和小桶及內(nèi)部所裝沙子的質(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小桶D.將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在電壓為8V的蓄電池上,接通電源,釋放小車,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.保持小桶及其中沙子的質(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(cè)量并計(jì)算出加速度的值G.作a-m關(guān)系圖像,并由圖像確定a與m的關(guān)系①甲同學(xué)漏掉的重要實(shí)驗(yàn)步驟是

,該步驟應(yīng)排在步驟

之后。

②在上述步驟中,有錯(cuò)誤的是步驟

,應(yīng)把

改為

。

③在上述步驟中,處理不恰當(dāng)?shù)氖遣襟E

,應(yīng)把

改為

。

(2)乙同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求安裝的實(shí)驗(yàn)裝置如圖乙所示(圖為已接通電源剛要釋放紙帶的情況),請(qǐng)改正乙同學(xué)的五個(gè)錯(cuò)誤。①電源

;

②電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器位置

;

③滑輪高度

;

④小車位置

;

⑤長木板

。

答案:(1)①平衡摩擦力

B

②D電壓為8V的蓄電池工作電壓約為8V的交變電源

③G

a-m圖像

a-圖像(2)①應(yīng)用工作電壓約為8V的交變電源

②應(yīng)靠右端

③應(yīng)使細(xì)繩平行于木板

④應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器

⑤應(yīng)墊高右端以平衡摩擦力解析:(1)實(shí)驗(yàn)中把小桶及其中沙子的重力之和看成與小車所受拉力大小相等,沒有考慮摩擦力,故必須平衡摩擦力且應(yīng)排在步驟B之后。電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在蓄電池上將無法工作,必須接在工作電壓約為8

V的交變電源上。作a-m關(guān)系圖像,得到的是曲線,很難進(jìn)行正確的判斷,必須“化曲為直”,改作a-

關(guān)系圖像。(2)電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)使用工作電壓約為8

V的交變電源,且要固定在長木板無滑輪的一端,即應(yīng)靠右端;釋放小車時(shí),小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器;連接小車的細(xì)繩應(yīng)平行于木板,故應(yīng)調(diào)節(jié)滑輪高度使細(xì)繩平行于木板;實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)平衡摩擦力,使小車所受重力沿木板方向的分力與小車所受摩擦力平衡,故應(yīng)墊高長木板右端以平衡摩擦力。

此題考查

F一定時(shí),探究小車的加速度a與小車(含砝碼)質(zhì)量m的關(guān)系,意在考查實(shí)驗(yàn)操作、注意事項(xiàng)等實(shí)驗(yàn)探究能力。拉力的測(cè)量:在砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量的情況下,可以認(rèn)為砝碼盤和砝碼的總重力近似等于小車所受的拉力(合外力)?！纠}2】

在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中,某次實(shí)驗(yàn)測(cè)得如下數(shù)據(jù):m一定時(shí),a與F的關(guān)系見表1;F一定時(shí),a與

的關(guān)系見表2。表1F/N1.002.003.004.00a/(m·s-2)1.903.955.857.62二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理表2(1)在如圖所示的相應(yīng)坐標(biāo)系中,根據(jù)表1、表2所給數(shù)據(jù)作出圖像。答案:(1)圖像如圖所示(2)a-m圖像是曲線,難以找出規(guī)律;a-圖像是直線,容易找出規(guī)律。解析:清楚a-F圖像及a-圖像的性質(zhì),便于正確作圖。此題探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,意在培養(yǎng)數(shù)據(jù)處理等科學(xué)探究能力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法——圖像法、“化曲為直”法(1)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(cè)量數(shù)據(jù)描點(diǎn),然后作出圖像,如圖所示,若圖像是一條通過原點(diǎn)的直線,就能說明a與F成正比。(2)研究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系。如圖甲所示,因?yàn)閍-m圖像是曲線,檢查a-m圖像是不是雙曲線,就能判斷它們之間是不是反比例關(guān)系,但檢查這條曲線是

【例題3】

圖甲是用來探究加速度和力之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖,圖乙是其俯視圖。兩個(gè)相同的小車,放在帶有定滑輪的木板上(事先通過調(diào)節(jié)木板與水平面間的夾角來抵消摩擦力的影響),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,盤里放有砝碼。兩個(gè)小車后端各系一條細(xì)線,細(xì)線后端用夾子固定,打開夾子,小盤和砝碼牽引小車運(yùn)動(dòng),合上夾子,兩小車同時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。三、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)(1)用刻度尺測(cè)出兩小車的位移,位移之比就等于它們的

之比。

(2)為了探究加速度大小和力大小之間的關(guān)系,應(yīng)保持兩個(gè)

(選填“小車”或“小盤和砝碼”)的質(zhì)量相等。

(3)為減小誤差,應(yīng)使小盤和砝碼的總質(zhì)量盡可能

(選填“小于”“等于”或“大于”)小車質(zhì)量。

答案:(1)加速度(2)小車(3)小于解析:(1)根據(jù)初速度為零的勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移時(shí)間關(guān)系x=at2,兩小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等,位移與加速度成正比。(2)根據(jù)控制變量法,要探究加速度和力之間的關(guān)系,需要小車的質(zhì)量保持不變,即兩小車質(zhì)量相等。(3)實(shí)驗(yàn)中用小盤和砝碼的重力作為小車受到的拉力。只有在小盤和盤中砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量時(shí),繩對(duì)小車?yán)Φ拇笮〗频扔谛”P和盤中砝碼的重力。此題是采用控制變量法探究加速度和力之間關(guān)系的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),逐步培養(yǎng)科學(xué)探究能力。1.控制變量法:當(dāng)研究多個(gè)物理量的變化規(guī)律時(shí),為了簡便,可設(shè)計(jì)保持其他物理量不變,只研究剩余兩個(gè)變化物理量的關(guān)系,這種方法叫作控制變量法。兩個(gè)相同的小車放在光滑水平面上,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,盤中各放數(shù)目不等的砝碼,就可以驗(yàn)證質(zhì)量一定的條件下,加速度與力的關(guān)系。2.對(duì)比實(shí)驗(yàn)法:對(duì)比實(shí)驗(yàn)法在物理實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常用到。兩小車后端各系一條細(xì)繩,兩細(xì)繩一起被一個(gè)夾子夾著而使小車靜止(如圖所示)。打開夾子,兩小車同時(shí)開始運(yùn)動(dòng),關(guān)上夾子,兩小車同時(shí)停下來。用刻度尺測(cè)出兩小車通過的位移,位移之比就等于它們的加速度之比。課堂小結(jié)隨堂練習(xí)1.(實(shí)驗(yàn)原理)在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中,滲透了研究問題的多種科學(xué)方法。(1)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的等效法:

。

(2)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)的科學(xué)方法:

。

(3)實(shí)驗(yàn)原理的簡化:

,即當(dāng)小車質(zhì)量m車?m沙時(shí),細(xì)繩對(duì)小車的拉力大小近似等于沙及桶的總重力m沙g。

(4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的科學(xué)方法:

。

(5)由a-m車圖像轉(zhuǎn)化為a-圖像,所用的科學(xué)方法:

。(以上各題均選填“理想實(shí)驗(yàn)法”“圖像法”“阻力補(bǔ)償法”“化曲為直法”“控制變量法”或“近似法”)

答案:(1)阻力補(bǔ)償法

(2)控制變量法(3)近似法

(4)圖像法

(5)化曲為直法解析:(1)由于小車運(yùn)動(dòng)受到摩擦阻力,所以要平衡摩擦力,用阻力補(bǔ)償法減小實(shí)驗(yàn)誤差。(2)在探究加速度、力與質(zhì)量三者之間的關(guān)系時(shí),先保持其中一個(gè)量不變,來探究其他兩個(gè)量之間的關(guān)系,稱為控制變量法。(3)當(dāng)小車質(zhì)量m車?m沙時(shí),細(xì)繩對(duì)小車的拉力大小近似等于沙及桶的總重力m沙g,稱為近似法。(4)通過圖像研究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,稱為圖像法。(5)在作圖時(shí),由a-m圖像轉(zhuǎn)化為a-圖像,使圖線由曲線轉(zhuǎn)化為直線,稱為化曲為直法。2.(數(shù)據(jù)處理)用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置研究小車質(zhì)量一定的情況下,加速度與力的關(guān)系。主要實(shí)驗(yàn)步驟如下:A.如圖所示,安裝實(shí)驗(yàn)器材;B.調(diào)節(jié)軌道的傾角,輕推小車,使小車恰能做勻速直線運(yùn)動(dòng);C.在小桶內(nèi)放入適量細(xì)沙,測(cè)出小桶和沙的總質(zhì)量;D.將小車放于靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處,將小桶通過細(xì)繩掛在小車上,接通電源,釋放小車,得到一條打好點(diǎn)的紙帶;E.保持小車的質(zhì)量不變,改變小桶及沙的質(zhì)量,再做幾次實(shí)驗(yàn);F.在每條紙帶上選取一段比較理想的部分,算出每條紙帶的加速度a;G.將各次實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)填入表中,作出a-F圖像。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)步驟,完成下列任務(wù):(1)在下列實(shí)驗(yàn)器材中,需要使用的有

和

(填選項(xiàng)前的字母)。

A.電壓合適的50Hz交變電源B.電壓可調(diào)的直流電源C.刻度尺D.停表(2)在步驟B中,通過調(diào)節(jié)墊塊的位置,來調(diào)節(jié)軌道斜面的傾角,這樣做的目的是

。

(3)利用紙帶計(jì)算出小車的加速度,將計(jì)算結(jié)果填入表格。

序號(hào)小桶和沙總重力F/N加速度a/(m·s-2)10.050.1220.100.2430.150.3740.200.4750.250.60①以加速度a為縱軸、力F為橫軸建立直角坐標(biāo)系,在坐標(biāo)紙上描點(diǎn),如下圖所示。請(qǐng)?jiān)谠搱D中用“×”標(biāo)出第5條紙帶對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn),并畫出a-F圖像。②觀察a-F圖像,可以判斷小車的加速度a與力F成

(選填“正比”或“反比”)。

③根據(jù)你完成實(shí)驗(yàn)的實(shí)際情況,a-F圖像的斜率應(yīng)與

有關(guān)。

答案:(1)A

C(2)平衡小車受到的摩擦力,使細(xì)線對(duì)小車的拉力即為小車受到的合力(3)①②正比③小車質(zhì)量解析:(1)實(shí)驗(yàn)需要的器材有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器需要的電壓合適的50

Hz交變電源和用來測(cè)量紙