人教版高中物理必修一 （實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系）運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系教學(xué)課件

第四章運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系4.2

實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系

目錄一、上節(jié)回溯三、小結(jié)四、練習(xí)二、知識(shí)講解一、上節(jié)回溯1．伽利略理想實(shí)驗(yàn)2．牛頓第一定律2．慣性速度是描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，加速度是描述速度變化快慢的物理量，因此加速度可以說(shuō)是描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化快慢的物理量。力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，慣性大的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變，質(zhì)量是慣性的唯一量度。因此加速度、力、質(zhì)量之間必然存在定量的關(guān)系。那么這個(gè)關(guān)系是什么呢？問(wèn)題引入二、知識(shí)講解——實(shí)驗(yàn)思路思考問(wèn)題1．牛頓第一定律告訴我們，當(dāng)物體不受力或所受合力為零，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變。那么如果合力不為零，物體會(huì)做什么運(yùn)動(dòng)？問(wèn)題2．受力相同的物體，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的快慢（加速度）是相同的嗎？同樣大小的力，滿載和空載的地鐵，哪個(gè)加速度大？問(wèn)題3．猜想加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。二、知識(shí)講解——實(shí)驗(yàn)思路猜想：加速度與力成正比，與質(zhì)量成反比。如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證這個(gè)猜想？思考以下幾個(gè)問(wèn)題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)問(wèn)題2．需要測(cè)量哪些物理量，如何控制變量？分別有幾種測(cè)量方法？如何準(zhǔn)確測(cè)量這些物理量？問(wèn)題3．怎樣準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？如何利用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、獲取結(jié)論？問(wèn)題1．若要通過(guò)實(shí)驗(yàn)尋找加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系，選取的研究對(duì)象是什么？要使研究對(duì)象怎樣運(yùn)動(dòng)？二、知識(shí)講解——實(shí)驗(yàn)思路我們可以利用如右圖所示的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，將小車置于水平木板上，通過(guò)滑輪與槽碼相連。小車可以在槽碼的牽引下運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)加速度與力的關(guān)系保持小車的質(zhì)量不變，改變槽碼數(shù)量改變小車所受的拉力，小車所受拉力可認(rèn)為與槽碼所受重力相等。加速度與質(zhì)量的關(guān)系保持小車所受拉力不變，在小車上增加重物來(lái)改變小車的質(zhì)量。二、知識(shí)講解——實(shí)驗(yàn)思路如何保證小車所受的拉力等于槽碼所受的重力？設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)槽碼的質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，除此之外還要平衡摩擦力。阻力補(bǔ)償法：調(diào)節(jié)木板的傾斜角度，使小車在不受牽引力時(shí)能拖動(dòng)紙帶沿木板勻速運(yùn)動(dòng)。二、知識(shí)講解——實(shí)驗(yàn)思路可以用天平測(cè)量質(zhì)量。為了改變小車的質(zhì)量，可以在小車中放上砝碼，通過(guò)增減砝碼來(lái)改變質(zhì)量。質(zhì)量的測(cè)量二、知識(shí)講解——物理量的測(cè)量根據(jù)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶，計(jì)算小車在相等時(shí)間間隔內(nèi)的位移差Δx

，計(jì)算加速度的公式為Δx＝aT2；或計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的瞬時(shí)速度，通過(guò)加速度的定義來(lái)求加速度。加速度的測(cè)量二、知識(shí)講解——物理量的測(cè)量加速度的測(cè)量如果在實(shí)驗(yàn)中讓另一個(gè)初速度為零做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的小車，與實(shí)驗(yàn)中的小車同時(shí)運(yùn)動(dòng)相同的時(shí)間t，那么它們的位移之比就是加速度之比。這個(gè)方法可以把測(cè)量加速度轉(zhuǎn)換成測(cè)量位移。二、知識(shí)講解——物理量的測(cè)量力的測(cè)量現(xiàn)實(shí)中，僅受一個(gè)力作用的物體幾乎不存在。然而，一個(gè)單獨(dú)的力作用效果跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的。因此實(shí)驗(yàn)中的作用力的含義可以是物體所受合力。當(dāng)平衡摩擦力后，鉤碼的重力可以近似看成是小車所受到的恒定的合力。二、知識(shí)講解——物理量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶骄考铀俣扰c力、質(zhì)量的定量關(guān)系。學(xué)會(huì)用控制變量法研究物理規(guī)律和運(yùn)用圖像處理物理問(wèn)題的方法。實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)中有力

F、質(zhì)量

M和加速度

a三個(gè)變量，研究

a與

F及

M的關(guān)系時(shí)，先控制質(zhì)量

M不變，研究

a與

F的關(guān)系；然后再控制力

F不變，研究

a與

M的關(guān)系。二、知識(shí)講解——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)器材

打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、小車、一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板、小桶、細(xì)繩、鉤碼、低壓交流電源、導(dǎo)線、天平（帶砝碼）、刻度尺、坐標(biāo)紙。二、知識(shí)講解——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)步驟1．用天平測(cè)出小車和小桶的質(zhì)量

M0和

m0。2．按照?qǐng)D示裝置安裝實(shí)驗(yàn)儀器（要求：小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于鉤碼和桶質(zhì)量）。小車上不掛重物，用小木塊墊起軌道的一端使軌道與水平面成一個(gè)較小的角度。角度設(shè)計(jì)要求：輕推小車，小車拖動(dòng)紙帶在長(zhǎng)木板上做

運(yùn)動(dòng)（或者說(shuō)，紙帶上打出的點(diǎn)跡

），這個(gè)過(guò)程目的是

。3．在小桶中放鉤碼，則牽引小車的力可認(rèn)為等于

。將細(xì)繩系在小車上并繞過(guò)滑輪懸掛小桶，使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先

，然后釋放小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，斷開(kāi)電源，取下紙帶，在紙帶上標(biāo)上編號(hào)以便數(shù)據(jù)處理時(shí)使用。二、知識(shí)講解——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)器材4．保持小車的質(zhì)量不變，多次改變鉤碼的質(zhì)量

m，重復(fù)步驟3再完成4次實(shí)驗(yàn)，并算出每條紙帶對(duì)應(yīng)的加速度的值，填入表1中。5．用縱坐標(biāo)表示加速度

a，橫坐標(biāo)表示作用力

F，即砝碼和小桶的總重力(m＋m0)g，作出

a-F圖像，驗(yàn)證加速度與合外力的關(guān)系。6．保持

F，即鉤碼和小桶的質(zhì)量不變，多次在小車上加放砝碼以改變小車的總質(zhì)量

M，重復(fù)步驟3完成5次實(shí)驗(yàn)，求出相應(yīng)的加速度填入表2中，用縱坐標(biāo)表示加速度

a，橫坐標(biāo)表示小車和車內(nèi)砝碼總質(zhì)量的倒數(shù)

，描出相應(yīng)的點(diǎn)并作圖線，以驗(yàn)證加速度與質(zhì)量的關(guān)系。二、知識(shí)講解——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄M0＝

kgm0＝

kg序號(hào)鉤碼的質(zhì)量m/g鉤碼和小桶的總重力(m＋

m0)g/N時(shí)間間隔T/s位移x1/cm位移x2/cm連續(xù)相等時(shí)間位移差Δx＝x2－x1加速度a/(m·s-2)1

2

3

4

5

二、知識(shí)講解——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄m＋m0＝

kg序號(hào)小車的總質(zhì)量M/kg

時(shí)間間隔T/s位移x1/cm位移x2/cm連續(xù)相等時(shí)間位移差Δx＝x2－x1加速度a/(m·s-2)1

2

3

4

5

二、知識(shí)講解——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄注意給每條紙帶做好標(biāo)記二、知識(shí)講解——進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理為了直觀的判斷加速度a

與拉力F

的定量關(guān)系，我們以a

為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系，根據(jù)各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在紙上描點(diǎn)，做a-F

圖像。當(dāng)小車質(zhì)量不變時(shí)次數(shù)F/Na/(m·s-2)12345實(shí)驗(yàn)結(jié)論：質(zhì)量一定時(shí)，加速度與力的大小成正比。0.100.1460.200.3020.300.4280.400.5920.500.751a/(m·s-2)F/N0.10.20.30.40.500.150.300.450.600.75二、知識(shí)講解——數(shù)據(jù)處理與分析數(shù)據(jù)處理為了直觀的判斷加速度a

與拉力m的定量關(guān)系，我們以a

為縱坐標(biāo)、m

為橫坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系，根據(jù)各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在紙上描點(diǎn)，做a-m

圖像。圖像很難直觀地看出來(lái)是否為雙曲線，如何解決這個(gè)問(wèn)題？當(dāng)拉力不變時(shí)次數(shù)m/kga/(m·s-2)123450.4000.8610.5000.6920.7500.4701.0000.3521.2000.290a/(m·s-2)m/kg00.20.40.60.81.01.20.20.40.60.81.0二、知識(shí)講解——數(shù)據(jù)處理與分析數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：力的大小一定時(shí)，加速度與質(zhì)量成反比。當(dāng)拉力不變時(shí)次數(shù)1/m(kg-1)m/kga/(m·s-2)12.5022.0031.3341.0050.830.4000.8610.5000.6920.7500.4701.0000.3521.2000.290a/(m·s-2)

0.20.40.60.81.000.51.01.52.02.5二、知識(shí)講解——數(shù)據(jù)處理與分析思考問(wèn)題1．若

a-F圖線未通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，可能原因是什么？如果過(guò)縱軸說(shuō)明什么？過(guò)橫軸說(shuō)明什么？問(wèn)題2．若

a-F圖線后半段明顯偏離直線，造成此現(xiàn)象的主要原因可能是什么？問(wèn)題3．若

a-1/m圖線不是一條直線，造成此現(xiàn)象的主要原因可能是什么？二、知識(shí)講解——數(shù)據(jù)處理與分析三、小結(jié)實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)探究加速度與所受的作用力成正比加速度與物體質(zhì)量成反比設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析加速度、力、質(zhì)量的測(cè)量平衡摩擦力的方法減小系統(tǒng)誤差的方法建立坐標(biāo)系，繪制和分析

a-F圖像建立坐標(biāo)系，繪制和分析

a-1/m圖像四、練習(xí)1．（2021山西高一下月考）為了探究質(zhì)量一定時(shí)加速度與力的關(guān)系，一同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置，其中M為小車的質(zhì)量，m為鉤碼的質(zhì)量，為了保證力傳感器的讀數(shù)為小車所受的合外力，關(guān)于實(shí)驗(yàn)操作需要進(jìn)行的是（）在未掛鉤碼時(shí)，將木板的右端墊高以平衡摩擦力在懸掛鉤碼后，將木板的右端墊高以平衡摩擦力所掛鉤碼的質(zhì)量盡量大一些所掛鉤碼的質(zhì)量盡量小一些A2．（2020北京朝陽(yáng)高三上期末）用斜面、小車、砂桶、砝碼等器材做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)。甲、乙兩同學(xué)用同一套裝置完成了實(shí)驗(yàn)操作，利用測(cè)量得到的數(shù)據(jù)，他們?cè)谕蛔鴺?biāo)系中畫(huà)了各自的a-F圖線。由圖線可以判斷甲、乙兩同學(xué)做實(shí)驗(yàn)時(shí)哪一個(gè)物理量的取值不同？

并比較其大小

。質(zhì)量甲車的質(zhì)量小于乙車的質(zhì)量四、練習(xí)謝謝實(shí)驗(yàn)：探究小車隨時(shí)間變化的規(guī)律

思考如何研究一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律？（知道物體在不同時(shí)刻的速度）如何知道物體在不同時(shí)刻的速度？用什么儀器可以測(cè)得？（打點(diǎn)計(jì)時(shí)器）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)學(xué)生電源，刻度尺鉤碼小車細(xì)繩紙帶打點(diǎn)計(jì)時(shí)器一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板實(shí)驗(yàn)步驟（1）把附有滑輪的長(zhǎng)木板放在實(shí)驗(yàn)桌上；把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定。（2）將紙帶連在小車后面，再穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。（3）在小車的另一端通過(guò)細(xì)繩掛上鉤碼。（4）先接通電源，然后放開(kāi)小車，讓小車拖著紙帶運(yùn)動(dòng)，打完一條紙帶后立即關(guān)閉電源。（5）更換紙帶，重復(fù)做三次。注意事項(xiàng)1.開(kāi)始釋放小車時(shí)，應(yīng)使小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器2.先接通電源，待打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)穩(wěn)定后，再釋放小車，當(dāng)小車停止運(yùn)動(dòng)時(shí)及時(shí)斷開(kāi)電源3.要防止鉤碼落地和小車跟滑輪相撞，當(dāng)小車到達(dá)滑輪前及時(shí)用手按住它4.小車另一端所掛的鉤碼個(gè)數(shù)要適當(dāng)，避免加速度過(guò)大而使紙帶上打的點(diǎn)太少，或加速度太小使各段位移無(wú)法區(qū)別，從而使誤差增大處理紙帶舍掉開(kāi)頭過(guò)于密集的點(diǎn)，從清楚的點(diǎn)開(kāi)始,每隔四個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)；取六個(gè)點(diǎn)，依次標(biāo)號(hào)為0，1，2，3，4，50.10s0.10s過(guò)于密集/不清晰的點(diǎn)處理紙帶例：求3這個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度：

x4

-x2v3=v24=———=————

2△tx24

2△t△t為多少?x1x2x3x4x5哪一種方法更好？如何利用vIt圖求加速度①取任意兩組數(shù)據(jù)求出Δv和Δt，然后代入求解。②在v—t圖象上取一段時(shí)間Δt（盡量取大一些），找出Δt對(duì)應(yīng)的Δv，代入求解。（畫(huà)圖時(shí)讓不在直線上的點(diǎn)盡可能等量地分布在直線兩側(cè)，就是為了使偏大或偏小的誤差盡可能地抵消，所以圖象也是減小誤差的一種手段，也就是說(shuō)應(yīng)該用圖象上的點(diǎn)，而不是用實(shí)驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)）△va=——△t△va=——△t2實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律

思維體操實(shí)驗(yàn)室如何獲得較簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？需要哪些器材？一、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)二、實(shí)驗(yàn)步驟⑴木板平放，并使滑輪伸出桌面，把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定，連接好電路。⑵穿紙帶；掛鉤碼。⑶先接通電源，然后放開(kāi)小車，讓小車拖著紙帶運(yùn)動(dòng)，打完一條后立即關(guān)閉電源。⑷換紙帶，加鉤碼，再做一次。三、實(shí)驗(yàn)注意點(diǎn)1．固定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)應(yīng)讓限位孔處在長(zhǎng)木板的中央位置。2．滑輪不能過(guò)高,細(xì)繩應(yīng)與木板平行.3．小車應(yīng)由緊靠打點(diǎn)計(jì)時(shí)器處開(kāi)始釋放，在撞擊長(zhǎng)木板末端前應(yīng)讓小車停止運(yùn)動(dòng),防止小車從板上掉下來(lái)。