2017-2018学年高中物理 第五章 研究力和运动的关系 5.2 探究加速度与力、质量的关系课件 沪科版必修1

5.2探究加速度与力、质量的关系,一、实验目的1.用控制变量法探究加速度与力、质量的关系。(1)物体的质量一定时,探究加速度与力的关系。(2)物体受力一定时,探究加速度与质量的关系。2.学会用图像验证物理规律的方法。,二、实验原理1.探究方法控制变量法当研究三个物理量之间的关系时,先保持某个量不变,研究另外两个量之间的关系,这种研究问题的方法叫做控制变量法。这种方法是物理学中研究和处理问题时经常采用的方法。本节使用的方法即是“控制变量法”。(1)保持物体的质量不变,测量物体在不同外力作用下的加速度,分析加速度与外力的关系。(2)保持物体所受外力相同,测量不同质量的物体在该力作用下的加速度,分析加速度与质量的关系。2.要测量的物理量(1)小车及车上砝码的总质量M用天平测出。(2)小车受的拉力F用天平测出小桶及桶内细沙的总质量m,由F=mg算出。(3)小车的加速度a通过打点计时器打出的纸带计算得出。,三、实验器材小车,砝码,小桶,细沙,细绳,一端附有定滑轮的长木板,垫木,打点计时器,低压交流电源,导线两根,纸带,托盘天平及砝码,刻度尺。,探究突破,典例剖析,随堂检测,一、实验步骤1.用天平测量小车的质量m0。2.按如图所示把实验器材安装好,只是不把悬挂小桶的细绳系在小车上(即不给小车加牵引力)。,3.平衡摩擦力:在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木板,反复移动薄木板的位置,直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态。这时,小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡。(此时,打点计时器打出的纸带上相邻点的间距相等),探究突破,典例剖析,随堂检测,4.把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶,小车停在打点计时器处,并在小桶内放入适量的细沙,先接通电源,再放开小车,打点计时器在纸带上打下一系列的点,打完点后切断电源,取下纸带。用天平测量小桶和细沙的质量并计算小桶和细沙的重力,即为小车所受的合力,由纸带计算出小车的加速度,并把力和对应的加速度填入表(一)中。表(一),探究突破,典例剖析,随堂检测,5.改变小桶内细沙的质量,重复步骤4,多做几次。6.保持小桶和桶内细沙的质量不变,在小车上放上适量的砝码,放手后,让小车运动打出纸带,计算砝码和小车总质量M,并由纸带计算出小车对应的加速度,填入表(二)中。表(二),7.改变小车上砝码的个数,重复步骤6,多做几次。,探究突破,典例剖析,随堂检测,二、数据处理1.作a-F图像:根据表(一)记录的数据,用纵坐标表示加速度a、横坐标表示作用力F,描点画a-F图像,(如图所示)在误差允许的范围内,所描绘的各点大致分布在同一条过坐标原点的直线上。,探究突破,典例剖析,随堂检测,探究突破,典例剖析,随堂检测,3.实验结论(1)保持物体质量不变时,物体的加速度a与所受力F成正比。(2)在力F不变时,物体的加速度a与质量M成反比。,探究突破,典例剖析,随堂检测,三、误差分析1.因实验原理不完善造成系统误差。实验中用小桶和桶内的细沙的总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小桶和细沙的总重力),存在系统误差;小桶和细沙的总质量越接近小车的质量,误差就越大;反之,小桶和细沙的总质量越小于小车的质量,误差就越小。2.测量、操作不够准确造成偶然误差。(1)质量的测量误差。(2)纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差。(3)拉线或纸带不与木板平行会造成误差。(4)平衡摩擦力不够(或过度)造成的误差,该误差使作出的图线在横轴(或纵轴)上产生截距。,探究突破,典例剖析,随堂检测,四、注意事项1.平衡摩擦力:一定要做好平衡摩擦力的工作,也就是调出一个合适的斜面,使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平衡小车受的摩擦阻力。在平衡摩擦力时,不要把悬挂小桶的细绳系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,并要让小车拖着打点的纸带运动。2.不重复平衡摩擦力:实验步骤2、3不需要重复,即整个实验平衡了摩擦力后,不管以后是改变小桶和细沙的总质量还是改变小车和砝码的总质量,都不需要重新平衡摩擦力。3.实验条件:每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质量远大于小桶和细沙的总质量的条件下打出。只有如此,小桶和细沙的总重力才可视为小车受到的拉力。4.一先一后再一按:改变拉力和小车质量后,每次开始时小车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电源,后放开小车,且在小车到达滑轮前按住小车。,探究突破,典例剖析,随堂检测,类型一、实验操作与注意事项【例1】 (多选)在做探究加速度与力、质量的关系的实验时,下列说法正确的是()A.平衡摩擦力时,应将沙桶和沙子通过定滑轮拴在小车上B.连接沙桶和小车的细绳应跟长木板保持平行C.平衡摩擦力后,长木板的位置不能移动D.小车释放前应靠近打点计时器,且应先接通电源再释放小车解析:探究加速度与力、质量的关系的实验中,需要平衡摩擦力,应使纸带穿过打点计时器的限位孔,但不能连接沙桶,A错;为保证绳上的拉力等于小车受到的合力,连接沙桶和小车的细绳必须与长木板平行,B对;平衡摩擦力后,若改变了木板的位置,就破坏了mgsin =f阻(为长木板倾角、m为小车质量)的关系,故C对;为充分利用纸带,小车释放前应靠近打点计时器,且先接通电源再释放小车,D对。答案:BCD,探究突破,典例剖析,随堂检测,规律方法要理解平衡摩擦力的原理是让小车的重力沿斜面向下的分力与小车所受的阻力平衡。,探究突破,典例剖析,随堂检测,类型二、数据处理与误差分析【例2】某组同学设计了探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系实验,图甲为实验装置简图,A为小车,B为电火花计时器,C为装有细沙的小桶,D为一端带有定滑轮的长方形木板,实验中认为细绳对小车的拉力F等于细沙和小桶的总重力,小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得。,(1)图乙为某次实验得到的纸带,已知实验所用电源的频率为50 Hz。根据纸带可求出小车的加速度大小为 m/s2。(结果保留两位有效数字),探究突破,典例剖析,随堂检测,(2)在探究加速度a与质量m的关系时,保持细沙和小桶质量不变,改变小车质量m,分别记录小车加速度a与其质量m的数据。在分析处理数据时,该组同学产生分歧:甲同学认为应该根据实验中测得的数据作出小车加速度a与其质量m的图像;乙同学认为应该根据实验中测得的数据作出小车加速度a与其质量倒数 的图像。两位同学都按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注,但尚未完成图像。你认为同学(填“甲”或“乙”)的方案更合理,请继续帮助该同学作出图像。,探究突破,典例剖析,随堂检测,探究突破,典例剖析,随堂检测,(3)在探究加速度a与合力F的关系时,保持小车的质量不变,改变小桶中细沙的质量,该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图像如图丙所示,该图线不通过坐标原点,试分析图线不通过坐标原点的原因。,探究突破,典例剖析,随堂检测,解析:(1)在连续相等的时间间隔内,从纸带上可得到四段位移大小,可以选用逐差法计算加速度。s1=6.19 cm,s2=6.70 cm,s3=7.21 cm,s4=7.72 cm,探究突破,典例剖析,随堂检测,(3)由题中a-F图线知F增大至某一值时物体开始有加速度,说明实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不足。,探究突破,典例剖析,随堂检测,答案:(1)3.2(2)乙图像见解析(3)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足。,探究突破,典例剖析,随堂检测,1,2,3,4,1.(多选)在验证加速度与质量成反比的实验中,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.实验时,先接通电源,待打点稳定后,再放开小车C.“悬挂重物的质量远小于小车的质量(含砝码)”这一条件如不满足,对验证过程也不会产生影响D.如果a- 图像是通过原点的一条直线,则说明物体的加速度a与质量m成反比解析:平衡摩擦力时,不需要悬挂重物,选项A错误;实验时,应先接通电源,再放开小车,选项B正确;悬挂的重物必须远小于小车的质量(含砝码),才能认为小车受的拉力等于重物的重力,选项C错误;加速度a与 成正比的话,就说明加速度a与质量m成反比,选项D正确。答案:BD,探究突破,典例剖析,随堂检测,1,2,3,4,2.关于探究加速度与力、质量的关系的实验,下列说法正确的是()A.通过同时改变小车的质量m及受到的拉力F的研究,可以归纳出加速度、力、质量三者之间的关系B.通过保持小车质量不变,只改变小车的拉力的研究,可以归纳出加速度、力、质量三者之间的关系C.通过保持小车受力不变,只改变小车质量的研究,可以归纳出加速度、力、质量三者之间的关系D.先保持小车质量不变,研究加速度与力的关系;再保持小车受力不变,研究加速度与质量的关系,最后归纳出加速度、力、质量三者之间的关系,探究突破,典例剖析,随堂检测,1,2,3,4,解析:由于实验中有三个量同时变化,在研究过程中采用控制变量法,通过保持小车质量不变,只改变小车所受拉力的研究,可以归纳出加速度、力二者之间的关系,再通过保持小车受力不变,只改变小车质量的研究,可以得出加速度、质量二者之间的关系,所以D项正确。答案:D,探究突破,典例剖析,随堂检测,1,2,3,4,3.王凯同学在做探究加速度与力、质量的关系的实验中,平衡摩擦力时,把长木板的一端垫得过高,使得倾角变大,若以加速度a为纵坐标,以小车受到的拉力F为横坐标,那么,他所得到的a-F图像应为(),解析:图线为直线,表明小车总质量M远大于钩码质量m;a-F图线与F轴交于原点右侧表明摩擦力平衡不够,a-F图线与a轴交于原点上方,表明摩擦力平衡过大;a-F图线过原点,表明摩擦力平衡恰当。当不满足小车总质量M 远大于钩码质量m的条件时,图线将发生弯曲。因此选项C正确。答案:C,探究突破,典例剖析,随堂检测,1,2,3,4,4.在做探究加速度和力、质量的关系的实验中,保持小