42實驗探究加速度與力質量的關系（導學案）（原卷版）高一物理

第2節(jié)實驗：探究加速度與力、質量的關系導學案【學習目標】1.能夠設計探究加速度與力、質量的關系實驗方案。2.能夠完成實驗的操作和測量過程，以及通過控制變量法對數(shù)據(jù)進行圖像處理，體驗如何平衡摩擦力，減小系統(tǒng)誤差（鉤碼所受的重力不等于小車所受的拉力等）的操作方法?！緦W習重難點】 1.怎樣測量物體的加速度；（重點）2.平衡摩擦力和測量物體所受的合外力；（重點）3.對平衡摩擦力方法的理解以及測量物體所受的合力的方法；（難點）4.指導學生選器材、設計方案、進行實驗、作出圖像、得出結論。（難點）【知識回顧】1.牛頓第一定律：一切物體總保持狀態(tài)或靜止狀態(tài)，除非作用在它上面的迫使它改變這種狀態(tài)。2.意義：揭示了運動與力的關系，即力不是維持物體運動狀態(tài)的原因，而是改變物體運動狀態(tài)的原因。3.慣性：物體保持原來狀態(tài)或靜止狀態(tài)的性質叫作慣性。牛頓第一定律也被叫作慣性定律。4.慣性與質量：決定物體慣性大小的物理量是它的質量，質量大的物體慣性。說明慣性大小只由質量大小決定，與其他因素無關?！咀灾黝A習】1.實驗方法：法2.實驗思路：本實驗有三個需要測量的量：物體的、物體所受的和物體的。測出它們的值，分析數(shù)據(jù)，得出結論。(1)質量M：用測量。(2)測量物體的加速度a方案一：利用打出的紙帶測量小車的加速度a?！爸鸩罘ā鼻蠼饧铀俣龋悍桨付鹤寖蓚€小車做初速度為0的勻加速直線運動，在相等的時間內，由x＝eq\f(1,2)at2知，把測量加速度轉換成測量位移。(3)測物體受到的拉力F方案一：用法補償打點計時器對小車的阻力及其他阻力，小車所受的拉力近似等于槽碼的總重力。阻力補償后，繩的拉力F為小車所受合外力，繩的拉力F＝mg須滿足的條件，其中m為槽碼質量，M為小車質量。方案二：用測拉力【課堂探究】思考與討論：(1)由牛頓第一定律的學習，什么是改變物體運動狀態(tài)的原因？(2)由牛頓第一定律的學習，質量的大小對物體狀態(tài)的改變是否有影響？(3)我們知道描述物體狀態(tài)改變的物理量是速度，那么速度變化的快慢我們通常用哪個物理量來描述？(4)加速度與力、質量之間存在怎樣的定量關系呢？一、實驗思路思考與討論：(1)當我們要探究某個物理量與另外兩個或多個物理量之間的定量關系時，我們在探究過程中通常需要如何來做比較合理？(2)我們在探究加速度與力、質量的關系時，我們應當如何應用控制變量法來進行實驗？(3)根據(jù)以上討論，你認為實驗過程中我們需要測量哪些物理量呢？(4)為最終實現(xiàn)對加速度與力、質量關系的探究，你是否可以用以下實驗器材設計一個或幾個方案完成這一任務呢？二、物理量的測量（一）物理量的測量1.質量的測量：用測量2.加速度的測量：方法一：如果物體做初速度為零的勻加速直線運動，則可利用刻度尺測量位移和秒表測量時間，然后由公式可算出。方法二：利用進行實驗，根據(jù)紙帶上打出的點可測量加速度。方法三：利用比值法。由于a=(2x)/t2測出兩個初速度為零的勻加速運動在相同時間內發(fā)生的位移x1，x2，位移之比就是加速度之比思考與討論：(1)在此實驗中，通過測力計用手直接給小車施加一個恒力是否可行？(2)若不能用測力計直接給小車施加一個恒力，你認為哪種方法更合適？(3)此種方法中，對于小車來說，受到幾個力的作用？如何消除沿板方向摩擦力的影響呢？3.力的測量：(1)平衡摩擦力：把軌道的一端，使重力的分力與平衡。(2)具體操作：先不加，軌道無定滑輪一端，使小車連同紙帶下滑，若紙帶上打出點間隔，則為下滑，從而消除摩擦力的影響。(3)注意事項：①多次測量，摩擦力只需要平衡摩擦；②在槽碼的質量小車質量時，繩的拉力大小等于槽碼重力大小。（學習了第三節(jié)后解釋）（二）實驗方案1.方案一：用阻力補償法探究加速度與力、質量的關系實驗裝置如圖4.22所示。把木板的一側墊高，調節(jié)木板的傾斜度，使小車在不受牽引時能拖動紙帶沿木板勻速運動。通過改變槽碼的個數(shù)而改變小車所受的拉力，通過處理打點計時器打下點的紙帶來測量加速度。保持小車受的拉力不變，通過增減小車中的重物改變小車的質量。處理紙帶上打出的點來測量加速度。2.方案二：通過位移之比測量加速度之比將兩輛相同的小車放在水平木板上，前端各系一條細線，線的另一端跨過定滑輪各掛一個小盤，盤中可以放不同的重物。平衡摩擦后，用黑板擦把兩條細線同時按壓在木板上。抬起黑板擦，兩小車同時開始運動，按下黑板擦，兩小車同時停下來。用刻度尺測出兩小車移動的位移x1、x2。由于兩小車運動時間t相同，從它們的位移之比就可以得出加速度之比。在盤中重物相同的情況下，通過增減小車中的重物改變小車的質量。三、進行實驗與數(shù)據(jù)分析（一）用阻力補償法探究加速度與力、質量的關系1.實驗步驟：(1)用天平測出小車的質量為M0，并把數(shù)值記錄下來。(2)平衡摩擦力后，按圖將實驗器材安裝好。(3)將槽碼通過細繩系在小車上，接通電源放開小車，用紙帶記錄小車的運動情況；取下紙帶并在紙帶上標上號碼及此時所掛槽碼的重力m0g。(4)保持小車的質量不變，改變所掛槽碼的重力，重復步驟(3)，多做幾次實驗，每次小車從同一位置釋放，并記錄好槽碼的重力m1g、m2g、…以及計算出相應紙帶的加速度填入表格1。表格1(物體的質量一定，加速度與受力的關系)實驗次數(shù)加速度a/(m·s2)小車受力F/N12345(5)保持槽碼的質量不變，在小車上加放砝碼，并測出小車與所放砝碼的總質量M，接通電源，放開小車，用紙帶記錄小車的運動情況，取下紙帶并在紙帶上標上號碼。(6)繼續(xù)在小車上加放砝碼，重復步驟(5)，多做幾次實驗，在每次得到的紙帶上標上號碼。(7)計算出每次實驗所得紙帶的加速度值及小車與砝碼的總質量填入表格2。表格2(物體受到的外力一定，加速度與質量的關系)實驗次數(shù)加速度a/(m·s2)小車與砝碼總質量M/kg小車與砝碼總質量的倒數(shù)1/M(/kg1)123452.數(shù)據(jù)分析：(1)a－F圖像（請同學們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制）(2)a－M圖像（請同學們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制）(3)a－1/M圖像（請同學們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制）（二）通過位移之比法探究加速度與力、質量的關系1.實驗步驟：(1)用天平測出小車和托盤的質量，并把數(shù)值記錄下來。(2)平衡摩擦力后，按圖將實驗器材安裝好。(3)保持兩小車的質量相同且不變，改變兩個所掛托盤中砝碼的數(shù)量，多做幾次實驗，記錄好兩個托盤和砝碼的重力作為兩小車的拉力F，以及用刻度尺測量出每次兩個小車發(fā)生的位移x，填入表格3。表格3(物體的質量一定，加速度與受力的關系)次數(shù)小車拉力F/NF1/F2位移x/mx1/x21甲乙2甲乙3甲乙4甲乙(4)保持兩小車所掛兩個托盤和其中砝碼的質量相同且保持不變，改變兩小車中砝碼質量，多做幾次實驗，記錄小車和所加砝碼的質量M，以及用刻度尺測量出每次兩個小車發(fā)生的位移x，填入表格4。表格4(物體受到的外力一定，加速度與質量的關系)次數(shù)小車質量M/kgM1/M2位移x/mx1/x21甲乙2甲乙3甲乙4甲乙2.數(shù)據(jù)分析：(1)x1/x2F1/F2圖像（請同學們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制）(2)x1/x2M2/M1圖像（請同學們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標紙上繪制）四、實驗結論與誤差分析（一）實驗結論1.保持物體質量不變時，物體的加速度a與所受合外力F成。2.在力F不變時，物體的加速度a與質量M成。（二）誤差分析1.在實驗中，我們認為槽碼的重力就等于小車所受的合力。但這是有誤差的，只有在小車質量比較大，槽碼質量比較小且長木板合理傾斜的情況下，實驗結果才比較理想。2.質量測量、長度測量中也存在偶然誤差，可通過多次測量取平均值的方法來減小誤差。3.阻力補償不準而造成誤差。4.描點作圖時存在誤差。課堂小結：【自我測評】1．在“探究加速度與力、質量的關系”實驗中，采用如圖甲所示的裝置。本實驗采用的實驗方法是控制變量法，下列說法中正確的是（）

A．在探究加速度與質量的關系時，應改變小車所受拉力的大小B．在探究加速度與外力的關系時，應改變小車的質量C．在探究加速度a與質量m的關系時，作出a－圖像容易更直觀判斷出二者間的關系D．無論在什么條件下，細線對小車的拉力大小總等于砝碼盤和砝碼的總重力大小2．實驗室用滑輪、小車、打點計時器、砂桶、細線、紙帶等實驗器材組成如圖所示實驗裝置可以完成多個力學實驗．利用該裝置進行如下實驗時，以下說法正確的是（）A．在“探究加速度a與小車質量M關系”時每次改變小車質量之后不需要重新補償阻力B．在“探究加速度a與力F關系”時可以直接用測量加速度C．在“研究勻變速直線運動”時必須補償阻力D．在“研究勻變速直線運動”時必須使砂和砂桶總質量遠小于小車的質量3．圖示為某實驗小組“探究物體加速度與所受合外力關系”的實驗裝置。關于該實驗操作正確的是（）A．物塊應靠近打點計時器，先接通電源，再釋放物塊，打出紙帶，同時記錄力傳感器的示數(shù)B．補償阻力時應穿好紙帶，用細繩繞過滑輪連接托盤（不放砝碼），能讓物塊勻速下滑即可C．為減小誤差，實驗中托盤和砝碼的總質量應遠小于物塊和傳感器的總質量D．實驗中需要用天平稱量托盤和砝碼的總質量4．在“探究加速度與力、質量的關系”的實驗中，保持小車的質量不變，改變小車所受的作用力，測得的數(shù)據(jù)見下表。組別12345F/N1.02.03.04.05.0a/（m/s2）0.400.831.181.582.00（1）如圖所示的坐標紙上已描出了部分數(shù)據(jù)點，請在坐標紙上描出第2、4組數(shù)據(jù)對應的點，然后作出a-F圖像。

（2）由所作圖線可以得到結論：在質量一定的情況下，加速度a與作用力F成比。（3）當研究加速度與物體質量的關系時，應保持不變，改變小車的質量來進行實驗。5．某同學設計了一個“探究加速度a與物體所受合力F及物體質量m關系”的實驗，如圖所示為實驗裝置簡圖（交流電源的頻率為50Hz）。

（1）如圖所示為某次實驗得到的紙帶，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為m/s2（保留兩位有效數(shù)字）。

（2）保持槽碼的質量不變，改變小車質量m，分別得到小車加速度a與質量m及對應的，數(shù)據(jù)如下表。序號12345678小車加速度a/（m·s2）1.901.721.491.251.000.750.500.30小車質量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.67/kg14.003.453.032.502.001.411.000.60請在如圖所示的坐標紙中畫出圖線，由圖線可得小車的加速度a與質量的倒數(shù)之間的關系式為。

6．圖1為“用DIS研究物體的加速度與力的關系”的實驗裝置圖，A為帶有位移傳感器的小車，B為若干規(guī)格相同的回形針。實驗中，用回形針的重力大小代替小車所受拉力大小，摩擦阻力不計。（1）為了研究物體的加速度與力的關系，實驗中應保持