第4章第2節(jié)實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、速度的關(guān)系（課件）

(1)如圖所示，同一小車在不同拉力作用下加速。請(qǐng)觀察小車的加速情況，并判斷小車加速度的大小。

(2)在小車上放置質(zhì)量不同的鉤碼（配重），用相同的懸掛物拖動(dòng)。請(qǐng)觀察小車的加速情況，判斷小車加速度的大小。導(dǎo)入一物體運(yùn)動(dòng)的加速度大小可能與什么因素有關(guān)呢？

通過(guò)實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)，加速度大小與物體的質(zhì)量以及物體所受外力有關(guān)。質(zhì)量相同時(shí)，受力越大，加速度越大；受力相同時(shí)，質(zhì)量越小，加速度越大。做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體其加速度都相同，與質(zhì)量無(wú)關(guān)，基于這個(gè)事實(shí)，你還有其他的猜想嗎？

物體的加速度有可能是與力和質(zhì)量的比值有一定的關(guān)聯(lián)。導(dǎo)入一推理一下，加速度由哪些物理量決定？

(1)速度是描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，加速度是描述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化快慢的物理量。由牛頓第一定律可知，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，所以力是產(chǎn)生加速度的原因。

(2)物體的質(zhì)量越大，慣性越大，越難以改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，相同時(shí)間內(nèi)速度變化量越小。也就是說(shuō)，受到相同的外力時(shí)，物體的質(zhì)量越大，加速度越小。由以上分析可知，加速度由力和質(zhì)量決定。導(dǎo)入二經(jīng)過(guò)初步分析我們知道了物體的加速度與物體的質(zhì)量、所受的力都有關(guān)系，那我們應(yīng)該怎樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究呢？

采用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。先保持研究對(duì)象的質(zhì)量不變，改變其受到的外力，探究加速度與所受外力的關(guān)系；再保持所受外力不變，改變研究對(duì)象的質(zhì)量，探究加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系。依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，如果能測(cè)量出物體的質(zhì)量、物體受到的外力，以及物體運(yùn)動(dòng)的加速度，那我們就可以進(jìn)行分析得出結(jié)論。那么，可如何得到這些數(shù)據(jù)呢？環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案?思路一根據(jù)圖中所示的實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)過(guò)程，確定需要測(cè)量的物理量，設(shè)計(jì)記錄數(shù)據(jù)的表格，并明確物理量的測(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)1：保持小車質(zhì)量不變，探究小車的加速度與其受力的關(guān)系。需要測(cè)量的物理量：小車受到的拉力F，小車運(yùn)動(dòng)的加速度a。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：將紙帶連在小車上，通過(guò)鉤碼牽引小車運(yùn)動(dòng)，同時(shí)啟動(dòng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列清晰的點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變鉤碼的個(gè)數(shù)來(lái)改變拉力。環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格：環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案

環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案我們要探究的問(wèn)題是小車的加速度與它受到的力之間存在什么樣的關(guān)系，小車只受到這個(gè)拉力嗎?研究問(wèn)題中這個(gè)“力”是指什么力？

研究問(wèn)題中的“力”指“合力”。實(shí)驗(yàn)方案中還存在什么問(wèn)題？準(zhǔn)備如何解決？環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)中還有一個(gè)問(wèn)題，就是繩子對(duì)小車的拉力F與鉤碼受到的重力mg相等嗎?

鉤碼做加速運(yùn)動(dòng)，所以繩子的拉力F的大小與鉤碼受到的重力mg的大小不等。鉤碼的質(zhì)量比小車的質(zhì)量小很多的時(shí)候，可以認(rèn)為這兩個(gè)力近似相等。環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)：

1.采用阻力補(bǔ)償法探究加速度與力的關(guān)系

(1)調(diào)整方法：

①斷開(kāi)細(xì)繩，使小車不與懸掛物連接，安裝好紙帶。②把固定有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的一端墊高，接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源，待其正常工作后輕推小車給其一初速度，觀察紙帶上的點(diǎn)跡分布情況。③調(diào)整墊起的高度，當(dāng)打出的紙帶點(diǎn)跡分布均勻時(shí)可認(rèn)為小車做勻速直線運(yùn)動(dòng)。環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案

(2)平衡方程：

FN＝Mgcosθ

Ff＝μMgcosθ＋F阻注：小車與木板之間的摩擦不是滑動(dòng)摩擦，由于學(xué)生不能處理這個(gè)摩擦，就用滑動(dòng)摩擦表達(dá)式來(lái)代替，也可寫成Ff＝kMgcosθ，用比例系數(shù)k，以此與滑動(dòng)摩擦相區(qū)別。由于紙帶造成的阻力F阻?μMgcosθ，可認(rèn)為Ff＝μMgcosθ＝Mgsinθ。環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案

2.該實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)

(1)因?yàn)榧?xì)線的拉力F是物體受到的合力，所以必須平衡摩擦力。

(2)為保證拉力F與懸掛物的重力mg近似相等，懸掛物的質(zhì)量m

要遠(yuǎn)小于車和車中砝碼的總質(zhì)量M。

(3)為保證小車在加速過(guò)程中受到的合力保持不變，細(xì)線要與軌道平行。環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)2：保持受力不變，探究小車的加速度與小車質(zhì)量的關(guān)系。需要測(cè)量的物理量：小車和砝碼的總質(zhì)量M，小車運(yùn)動(dòng)的加速度a。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：保持小車受到的拉力不變，通過(guò)增減小車中砝碼的數(shù)量改變小車的質(zhì)量，分別打出紙帶。環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格：環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，小車和砝碼的總質(zhì)量增加了，小車受到的摩擦力是否改變了呢？用不用重新調(diào)節(jié)墊起的高度來(lái)平衡摩擦力呢？

畫出如圖所示的受力分析圖，可以得到關(guān)系式：FN＝Mgcosθ，F(xiàn)f＝Mgsinθ，F(xiàn)f＝kMgcosθ。聯(lián)立以上三式，可以發(fā)現(xiàn)Mgsinθ＝kMgcosθ，因此，在最初平衡摩擦力后，即使小車的質(zhì)量發(fā)生變化也不必再重新平衡摩擦力。環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案?思路二如圖所示，在兩小車前端系上細(xì)線，細(xì)線跨過(guò)滑輪并掛上砝碼盤，將兩小車尾部細(xì)線連到控制裝置上，通過(guò)控制裝置可以使兩小車同時(shí)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，然后同時(shí)停止運(yùn)動(dòng)。

環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案?思路三利用圖中所示的實(shí)驗(yàn)裝置能否探究小車的加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系？如果能，說(shuō)明如何設(shè)計(jì)；如果不能，請(qǐng)說(shuō)明原因。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量力會(huì)遇到哪些困難？

小車受到重力Mg、支持力FN、繩子拉力F、摩擦力Ff四個(gè)力的作用，摩擦力不能測(cè)量，求不出合力；在鉤碼牽引小車的運(yùn)動(dòng)中，鉤碼的運(yùn)動(dòng)是加速運(yùn)動(dòng)，它對(duì)小車的拉力不等于鉤碼的重力，也就是不能測(cè)量小車受到的拉力；等等。如何更好地解決測(cè)量拉力的問(wèn)題？

可以采用力傳感器來(lái)測(cè)量拉力。環(huán)節(jié)一：制訂實(shí)驗(yàn)方案分為兩個(gè)學(xué)生小組，一組完成探究小車的加速度與其受力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，另一組完成探究小車的加速度與其質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求完成實(shí)驗(yàn)，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。環(huán)節(jié)二：設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)三：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法?思路一怎樣處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)？如何基于數(shù)據(jù)推測(cè)結(jié)論？

1.繪制a-F圖像，猜測(cè)a與F是正相關(guān)的關(guān)系。如果圖像是過(guò)原點(diǎn)的一條直線，說(shuō)明加速度與所受合力成正比；若是圖像曲線并且是正相關(guān)，則繪制a-F2圖像并加以判斷?？梢栽谟?jì)算機(jī)上利用Excel畫a-F圖像，并添加函數(shù)關(guān)系加以判斷。

環(huán)節(jié)三：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法環(huán)節(jié)三：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法?思路二實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

(1)調(diào)節(jié)軌道傾角補(bǔ)償阻力的影響，調(diào)節(jié)滑輪高度使細(xì)線與軌道平行。

(2)使兩車質(zhì)量相同，在托盤中放入質(zhì)量不同的小砝碼，控制小車同時(shí)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并控制小車同時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，測(cè)量?jī)尚≤囘\(yùn)動(dòng)的位移，記錄在表格中。

(3)重復(fù)步驟(2)多次。

(4)在托盤中放入質(zhì)量相同的小