2017_2018学年高中物理第三章牛顿运动定律第2节探究加速度与力、质量的关系教学案教科版.docx

第2节 探究加速度与力、质量的关系一、实验目的1学会用控制变量法探究物理规律。2探究加速度与力、质量的关系。3掌握利用图像处理数据的方法。二、实验原理实验的基本思想控制变量法1保持研究对象即小车的质量不变，改变盘内砝码的质量，即改变作用力，测出小车的对应加速度，验证加速度是否与作用力成正比。2保持小盘中砝码的质量不变，即保持作用力不变，改变研究对象的质量，测出对应不同质量的加速度，验证加速度是否与质量成反比。三、实验器材小车、砝码、小盘、细线、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、交流电源、纸带、刻度尺、天平。四、实验步骤(1)用天平测出小车和小盘(包括其中砝码)的质量分别为M0、m0，并把数值记录下来。(2)按图321所示将实验器材安装好(小车上不系绳)。图321(3)把长木板无滑轮的一端下面垫一薄木板，以平衡摩擦力。(4)将小盘通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，用纸带记录小车的运动情况；取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂小盘的重力m0g。(5)保持小车的质量不变，改变小盘(包括其中砝码)的质量重复步骤(4)多做几次实验。每次小车从同一位置释放，并记录好相应纸带。(6)保持小车所受合力不变，在小车上加砝码，并测出小车和放上砝码后的总质量M1，接通电源放开小车，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带并在纸带上标上号码。(7)继续在小车上加放砝码，重复步骤(6)，多做几次实验，并记录好相应纸带。五、数据处理1把小车在不同力作用下产生的加速度填在下表中：实验次数加速度a/(ms2)小车受力F/N1234由以上数据画出它的aF关系图像如图322所示，由此得出实验结论。图3222把不同质量的小车在相同力作用下产生的加速度填在下表中：实验次数加速度a/(ms2)小车质量M/kg1234由以上数据画出它的aM图像及a图像，如图323甲、乙所示，根据图像可以得出结论。图3233实验结论物体的加速度跟所受的合力成正比，跟物体的质量成反比。六、注意事项1平衡摩擦力时不要挂重物，整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变盘和砝码的质量还是改变小车及砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力。2实验中必须满足小车和砝码的质量远大于小盘和砝码的总质量。只有如此，小盘和砝码的总重力才可视为与小车受到的拉力相等。3各纸带上的加速度都应是该纸带上的平均加速度。4作图像时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能地对称分布在所作直线两侧。离直线较远的点是错误数据，可舍去不予考虑。5小车应靠近打点计时器，且先接通电源再放手。七、误差分析1托盘和砝码的总重力约等于小车所受的合外力，但会带来一定的误差。小车的质量与托盘和砝码的总质量相差越大，这种误差越小。2为减小测量长度时的偶然误差，可进行多次测量取平均值。3没有平衡摩擦力或摩擦力没有平衡好，实验中作出的aF或a图像不过原点。八、它案设计利用下列器材：带有定滑轮的木板、铁架台、小车、滑轮、钩码、大号铁夹、米尺、细绳、粘泥等设计实验，探究加速度a和它所受的力F之间的关系。1用5个铁架台将两块木板架起，如图324所示。由钩码和两个动滑轮组成动力系统，如果不考虑滑轮本身的质量，拉小车B的力是拉小车A的力的2倍，即F1F212。每辆小车后面拖一根细绳，绕过木板后竖直下垂被一固定在桌面上的大号铁夹夹住。图3242用粘泥将两辆小车的质量调整得完全一样，用小车后面的细绳将小车拉到木板右端后用铁夹夹紧细绳，使小车静止。3在小车的起始位置做上记号，然后松开铁夹，两小车便由静止开始做匀加速运动。经过适当的时间，再夹住铁夹，使小车停止运动。4测量出两小车运动的距离x1和x2，可由x1，x2，两式相除得x1x2a1a2。如果测得x1x212，可知a1a212，即a1a2F1F2。5改变动滑轮上所挂的钩码的质量，重复以上实验，可以得到相同的结论：小车的加速度与它所受的力成正比。例1用如图325所示的装置研究在作用力F一定时，小车的加速度a与小车质量M的关系，某位同学设计的实验步骤如下：图325A用天平称出小车和小盘(包括其中砝码)的质量；B按图装好实验器材；C把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砝码盘；D将电磁打点计时器接在6 V电压的蓄电池上，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，并在纸带上标明小车的质量；E保持小盘及其中砝码的质量不变，增加小车上的砝码个数，并记录每次增加后的M值，重复上述实验；F分析每条纸带，测量并计算出加速度的值；G作aM关系图像，并由图像确定aM关系。(1)该同学漏掉的重要实验步骤是_，该步骤应排在_步骤之后。(2)在上述步骤中，有错误的是_，应把_改为_。(3)在上述步骤中，处理不恰当的是_，应把_改为_。解析本题主要考查对实验原理和实验步骤的理解和分析，实验中把砝码及盘的重力看做与小车所受拉力大小相等，没有考虑摩擦力，故必须平衡摩擦力。电磁打点计时器接在6 V电压的蓄电池上将无法工作，必须接在6 V以下交流学生电源上。作aM关系图像，得到的是双曲线，很难作出正确的判断，必须“化曲为直”，改作a关系图像。答案(1)平衡摩擦力B(2)步骤D6 V电压的蓄电池6 V以下交流学生电源(3)步骤GaM关系图像a关系图像例2某同学设计了一个探究小车的加速度a与小车所受拉力F及质量m关系的实验，图326甲为实验装置简图。(所用交变电流的频率为50 Hz)图326(1)图乙为某次实验得到的纸带，实验数据如图，图中相邻计数点之间还有4个点未画出，根据纸带可求出小车的加速度大小为_m/s2。(保留三位有效数字)(2)保持砂和砂桶质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m及对应的，数据如下表：实验次序12345678小车加速度a/(ms2)0.6330.5720.4970.4180.3320.2500.1670.101小车质量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.67小车质量倒数/kg14.003.453.032.502.001.411.000.60请在图327甲的方格坐标纸中画出a图线，并从图线求出小车加速度a与质量倒数之间的关系式：_。 甲 乙图327(3)若保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，一位同学根据实验数据作出了加速度a随拉力F的变化图线如图乙所示。该图线不通过原点，其主要原因是_。解析(1)相邻计数点之间还有4个点未画出，说明相邻的计数点时间间隔为0.1 s。利用匀变速直线运动的推论得a0.510 m/s2。(2)由图表分析可知物体加速度a的6倍等于物体质量的倒数，即a(ms2)。根据图表在坐标纸上描点，然后用一条直线将这些点和坐标原点连接起来，图像如图所示。(3)图线中当F0时小车的加速度a0，即只有当F增大到一定值时小车才开始具有加速度，故在小车保持静止的时候其所受的静摩擦力等于绳子的拉力，所以出现此现象的原因是没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不够。答案(1)0.510(2)见解析图a(ms2)(3)没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不够1在利用打点计时器探究加速度与力、质量关系的实验中，以下做法正确的是()A平衡摩擦力时，应将重物用细绳通过定滑轮系在小车上B每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力C实验时，先放开小车，后接通电源D“重物的质量远小于小车的质量”这一条件如不满足，对探究过程也不会产生影响解析：选B平衡摩擦力时，小车不挂重物，故A错；实验时应先接通电源后放开小车，C错；实验时应满足小车的质量远大于重物的质量，否则误差很大，D错。2.如图328所示，在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，若1、2两个相同的小车所受拉力分别为F1、F2，车中所放砝码的质量分别为m1、m2，打开夹子后经过相同的时间两车的位移分别为x1、x2，则在实验误差允许的范围内，有()图328A当m1m2、F12F2时，x12x2B当m1m2、F12F2时，x22x1C当F1F2、m12m2时，x12x2D当F1F2、m12m2时，x22x1解析：选A题中m1和m2是车中砝码的质量，决不能认为是小车的质量。本题中只说明了两小车是相同的，并未告诉小车的质量是多少。当m1m2时，两车加砝码质量仍相等，若F12F2，则a12a2，由xat2得x12x2，A对，B错。若m12m2时，无法确定两车加砝码后的质量关系，两小车的加速度关系也就不清楚，故无法断定两车的位移关系，C、D错。3下表是在探究加速度与力、质量关系的实验中所记录的部分数据组别小车质量m/kg受力F/N加速度a/(ms2)10.50.2520.5031.0041.051.5若利用1、2、3三组数据探究加速度与受力的关系，则2、3组数据中物体的质量分别为_、_；若利用3、4、5三组数据探究加速度与物体质量的关系，则4、5组数据中物体所受的力分别为_、_。解析：若用1、2、3三组数据探究加速度与受力的关系，需保持小车的质量一定，即1、2、3三组数据中小车质量相等，都为0.5 kg；若利用3、4、5三组数据探究加速度与物体质量的关系，需保持3、4、5三组数据中小车受到的拉力F相等，都为1.00 N。答案：0.5 kg0.5 kg1.00 N1.00 N4如图329是某同学探究加速度与力、质量的关系时已接通电源正要释放纸带时的情况，请你指出该同学的5个差错：图329(1)电源_；(2)电磁打点计时器位置_；(3)滑轮位置_；(4)小车位置_；(5)长木板_。解析：探究加速度与力、质量的关系时，电磁打点计时器应使用低压(6 V)交流电源，且要固定在长木板无滑轮的一端，即应靠右端；释放纸带时小车应靠近打点计时器；连接小车的细线应保持水平，故应调节滑轮位置使拉线水平；实验时应平衡摩擦力，使小车所受重力沿斜面方向的分力与小车所受摩擦力平衡，故应垫高长木板右端以平衡摩擦力。答案：(1)应用6 V交流电源(2)应靠右端(3)应使拉线水平(4)应靠近打点计时器(5)应垫高右端平衡摩擦力5“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图3210甲所示。图3210(1)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中，打出了一条纸带如图乙所示。计时器打点的时间间隔为0.02 s。从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度a_m/s2。(结果保留两位有效数字)(2)平衡摩擦力后，将5个相同的砝码都放在小车上，挂上砝码盘，然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中，测量小车的加速度。小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表：砝码盘中砝码总重力F/N0.1960.3920.5880.7840.980加速度a/(ms2)0.691.181.662.182.70请根据实验数据作出aF的关系图像。图3211(3)根据提供的实验数据作出的aF图线不通过原点，请说明主要原因。解析：(1)a m/s20.16 m/s2或a m/s20.15 m/s2。(3)小车、砝码盘和砝码组成的系统所受合外力为砝码盘和砝码的总重力，而表中数据漏计了砝码盘的重力，导致合力F的测量值小于真实值，aF的图线不过原点。答案：(1)0.16(0.15也算对)(2)如图所示(3)未计入砝码盘的重力6为了探究加速度与力的关系，使用如图3212所示的气垫导轨装置进行实验。其中G1、G2为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑行器通过G1、G2光电门时，光束被遮挡的时间t1、t2都可以被测量并记录，滑行器与上面固定的一条形挡光片的总质量为M，挡光片宽度为D，两光电门间的距离为x，牵引砝码的质量为m。回答下列问题：图3212(1)实验开始前应先调节气垫导轨下面的螺钉，使气垫导轨水平。在不增加其他仪器的情况下，如何判定调节是否到位？_(2)若取M0.4 kg，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值不合适的一个是_。Am15 gBm215 gCm340 g Dm4400 g(3)在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，求得加速度的表达式为_。(用t1、t2、D、x表示)解析：(1)如果气垫导轨水平，则不挂砝码时，滑行器应能在任意位置静止不动，或推动滑行器后能使滑行器匀速运动，滑行器通过两光电门的时间相等。(2)应满足Mm，故m4400 g不合适，D正确。(3)由v1，v2，v22v122ax可得a。答案：(1)见解析(2)D(3)a7.某同学设计了如图3213所示的装置来探究加速度与力的关系。弹簧测力计固定在一合适的木板上，桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮，细绳的两端分别与弹簧测力计的挂钩和矿泉水瓶连接。在桌面上画出两条平行线MN、PQ，并测出间距d。开始时将木板置于MN处，现缓慢向瓶中加水，直到木板刚刚开始运动为止，记下弹簧测力计的示数F0，以此表示滑动摩擦力的大小。再将木板放回原处并按住，继续向瓶中加水后，记下弹簧测力计的示数F1，然后释放木板，并用停表记下木板运动到PQ处的时间t。图3213(1)木板的加速度可以用d、t表示为a_；为了减小测量加速度的偶然误差可以采用的方法是(一种即可)_ _。(2)改变瓶中水的质量重复实验，确定加速度a与弹簧测力计示数F1的关系。下列图像能表示该同学实验结果的是_。(3)(多