实验四探究加速度与力质量的关系市公开课一等奖省赛课获奖课件

试验四探究加速度与力、质量关系关键点归纳【试验目标】1.学会用控制变量法研究物理规律;2.验证牛顿第二定律;3.掌握利用图象处理数据方法.实验四探究加速度与力质量的关系第1页【试验原理】

1.验证牛顿运动定律试验依据是牛顿运动定律,即F=Ma,当研究对象有两个以上参量发生改变时,设法控制一些参量使之不变,而研究另外两个参量之间改变关系方法叫控制变量法.本试验中有力F、质量M和加速度a三个变量,研究加速度a与F及M关系时,先控制质量M不变,讨论加速度a与力F关系;然后再控制力F不变,讨论加速度a与质量M关系.

2.试验中需要测量物理量和测量方法是:小车及砝码总质量M;用天平测出.小车受到拉力F认为等于托盘和砝码总重力mg.小车加速度a利用纸带依据Δx=aT2计算.实验四探究加速度与力质量的关系第2页【试验器材】打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮长木板、重物、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺、砝码.【处理数据、探索结论】1.用天平测出小车和砝码总质量M,小盘和砝码总质量m,把数值统计下来.2.按如图1所表示把试验器材安装好,只是不把悬挂小盘细绳系在车上,即不给小车施加牵引力.图1实验四探究加速度与力质量的关系第3页3.平衡摩擦力:在长木板不带定滑轮一端下面垫一块木板.重复移动木板位置,直至小车在斜面上运动时能够保持匀速直线运动状态.这时,小车拖着纸带运动时受到摩擦阻力恰好与小车所受重力在斜面方向上分力平衡.4.把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘,先接通电源再放开小车,打点计时器在纸带上打下一系列点,打完点后切断电源,取下纸带,在纸带上标上纸带号码.实验四探究加速度与力质量的关系第4页5.保持小车和砝码质量不变,在小盘里放入适量砝码,把小盘和砝码总质量m′统计下来,重复步骤4.在小桶内再放入适量砝码,统计下小盘和砝码总质量m″,再重复步骤4.6.重复步骤5两次,得到三条纸带.7.在每条纸带上都选取一段比较理想部分,标明计数点,测量计数点间距离,算出每条纸带上加速度值.8.用纵坐标表示加速度a,横坐标表示作用力F,作用力大小F等于小盘和砝码总重力,依据试验结果在坐标平面上画出对应点,假如这些点是在一条过原点直线上,便证实了加速度与作用力成正比.实验四探究加速度与力质量的关系第5页9.保持小盘和砝码质量不变,在小车上加砝码,重复上面试验,用纵坐标表示加速度a,横坐标表示小车和砝码总质量倒数,依据试验结果在坐标平面上画出对应点.假如这些点是在一条过原点直线上,就证实了加速度与质量成反比.

控制变量法,验证牛二律;试验第一步,平衡摩擦力;协力等于盘码重,必须满足关系式(mM);验证a-M成反比,注意选好坐标系.锦囊妙诀实验四探究加速度与力质量的关系第6页交流与思索:若由试验结果画出小车运动a—F图线是一条并不过原点直线,说明试验中存在什么问题？图线斜率有何物理意义？试验中并不画出a—M图线,而是画出a-图线,这包含了哪些物理思想方法？

a—F图线是一条并不过原点直线,说明F并不是小车受到合外力.若图线在F轴上有截距,说明没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足;若图线在a轴正向有截距,说明平衡摩擦力过分,此时图线斜率表示.提醒:实验四探究加速度与力质量的关系第7页

由牛顿第二定律可知,a与M成反比,所以a—M图线并不是直线.为了减小试验误差,也为了将曲线转化为便于研究直线,画出a-图线,这包含了物理学中化曲为直思想方法,此时图线斜率表示F.实验四探究加速度与力质量的关系第8页【误差分析】1.质量测量误差,纸带上打点计时器打点间隔距离测量误差,拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差.2.因试验原理不完善造成误差本试验中用小盘和砝码总重力代替小车受到拉力(实际上小车受到拉力要小于小盘和砝码总重力),存在系统误差.小盘和砝码总质量越靠近小车质量,误差就越大;反之,小盘和砝码总质量越小于小车质量,误差就越小.实验四探究加速度与力质量的关系第9页3.平衡摩擦力不准造成误差在平衡摩擦力时,除了不挂小盘外;其它都跟正 式试验一样(比如要挂好纸带,接通打点计时器),匀速运动标志是打点计时器打出纸带上各点距离相等.实验四探究加速度与力质量的关系第10页交流与思索:为何小盘及砝码重力不等于绳子拉力？怎样才能减小由此造成测量误差？

提醒:令小车带上纸带在斜面上平衡阻力后挂上小盘,使小车和小盘一起加速运动时绳拉力大小为FT,小车总质量为M,小盘及砝码总质量为m,它们加速度为a,由牛顿第二定律,对M有FT=Ma对m有mg-FT=ma联立解得FT=可见,欲使FT≈mg,则必有→0,故有m≤M为条件.试验操作中普通保持M＞20m,不然,系统误差较大.实验四探究加速度与力质量的关系第11页【注意事项】1.一定要做好平衡摩擦力工作,也就是调出一个适当斜面,使小车重力沿着斜面方向分力恰好平衡小车受摩擦阻力.在平衡摩擦力时,不要把悬挂小盘细线系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,并要让小车拖着打点纸带运动.2.试验步骤2、3不需要重复,即整个试验平衡了摩擦力后,不论以后是改变小盘和砝码总质量还是改变小车和砝码总质量,都不需要重新平衡摩擦力.实验四探究加速度与力质量的关系第12页3.每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码总质量远大于小盘和砝码总质量条件下打出.只有如此,小盘和砝码总重力才可视为小车受到拉力.4.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,再放开小车,且应在小车抵达滑轮前按住小车.5.作图象时,要使尽可能多点分布在所作直线上,不在直线上点应尽可能对称分布在所作直线两侧.6.作图时两轴标度百分比要选择适当,各量须采取国际单位.这么作图线时,坐标点间距不至于过密,误差会小些.实验四探究加速度与力质量的关系第13页7.为提升测量精度(1)应舍掉纸带上开头比较密集点,在后边便于测量地方找一个起点.(2)能够把每打五次点时间作为时间单位,即从开始点起,每五个点标出一个计数点,而相邻计数点间时间间隔为T=0.1s.实验四探究加速度与力质量的关系第14页典例剖析【例1】(·宁夏·22Ⅱ)物理小组在一次探究活 动中测量滑块与木板之间动摩擦因数.试验装置 如图2所表示,一表面粗糙木板固定在水平桌面上, 一端装有定滑轮;木板上有一滑块,其一端与电磁 打点计时器纸带相连,另一端经过跨过定滑轮 细线与托盘连接.打点计时器使用交流电源频 率为50Hz.开始试验时,在托盘中放入适量砝码, 滑块开始做匀加速运动,在纸带上打出一系列小点.实验四探究加速度与力质量的关系第15页图2实验四探究加速度与力质量的关系第16页(1)下列图给出是试验中获取一条纸带一部分,0、1、2、3、4、5、6、7是计数点,每相邻两计数点间还有4个打点(图中未标出),计数点间距离如图3所表示.依据图中数据计算加速度a=(保留三位有效数字).图3实验四探究加速度与力质量的关系第17页(2)回答以下两个问题:①为测量动摩擦因数,以下物理量中还应测量有

.(填入所选物理量前字母)A.木板长度lB.木板质量m1C.滑块质量m2D.托盘和砝码总质量m3E.滑块运动时间t②测量①中所选定物理量时需要试验器材是

.(3)滑块与木板间动摩擦因数μ=

(用被测物理量字母表示,重力加速度为g).与真实值相比,测量动摩擦因数

(填“增大”或“偏小”).写出支持你看法一个论据:

.实验四探究加速度与力质量的关系第18页解析

(1)a=0.497m/s2(2)①要测动摩擦因数,就要测出滑块受拉力和滑块质量;②测质量就需要天平.(3)依据牛顿第二定律m3g-μm2g=(m2+m3)a得μ=这么测出动摩擦因数比真实值偏大,因为纸带和打点计时器还有摩擦,计算时忽略掉,造成结果偏大.实验四探究加速度与力质量的关系第19页答案

(1)0.495~0.497m/s2(2)①CD②天平(3)偏大因为纸带和打点计时器之间有摩擦实验四探究加速度与力质量的关系第20页【例2】某学习小组同学在用打点计时器探究物体 加速度与物体质量之间关系试验中,不改变 拉力,只改变物体质量,得到了以下表所表示几 组数据,其中第3组数据还未算出加速度,但对应该 组已打出了纸带,如图4所表示(长度单位:cm),图中 各点为每5个打点选出计数点(两计数点间还有4 个打点未标出).图4实验四探究加速度与力质量的关系第21页试验次数123456小车质量(g)200300400500600700小车加速度(m/s2)2.001.330.790.670.40小车质量倒数(kg-1)5.003.332.502.001.671.00实验四探究加速度与力质量的关系第22页(1)请由纸带上数据,计算出缺乏加速度值并填入表中(小数点后保留两位数).(2)请在图5中建立适当坐标,将表中各组数据用小黑点描在坐标纸上,并作出平滑图线.(3)由图象得出结论是:

.图5实验四探究加速度与力质量的关系第23页思绪点拨

物体加速度能够由纸带利用逐差法求得.为了便于研究a与M之间关系,能够作出a-图象,图象为直线说明物体在拉力一定时,加速度与质量成反比.解析(1)a计算利用逐差法实验四探究加速度与力质量的关系第24页(2)描点绘图,如图所表示.(3)由图象知a-图象是一条直线,即在拉力一定时,物体加速度与质量成反比.答案

(1)0.99(2)看法析图(3)在拉力一定时,物体加速度与质量成反比(与质量倒数成正比)实验四探究加速度与力质量的关系第25页【例3】如图6,质量为M滑块A放在气垫导轨B上,C

为位移传感器,它能将滑块A到传感器C距离数据 实时传送到计算机上,经计算机处理后在屏幕上显 示滑块A位移—时间(x-t)图象和速率—时间(v-t) 图象.整个装置置于高度可调整斜面上,斜面 长度为l、高度为h.(取重力加速度g=9.8m/s2,结 果可保留一位有效数字).图6实验四探究加速度与力质量的关系第26页(1)现给滑块A一沿气垫导轨向上初速度,Av-t图线如图7所表示.从图线可得滑块A下滑时加速度a=

m/s2,摩擦力对滑块A运动影响

.(填“显著,不可忽略”或“不显著,可忽略”)图7实验四探究加速度与力质量的关系第27页(2)此装置还可用来验证牛顿第二定律.试验时经过改变

,可验证质量一定时,加速度与力成正比关系;经过改变

,可验证力一定时,加速度与质量成反比关系.(3)将气垫导轨换成滑板,滑块A换成滑块A′,给滑块A′一沿滑板向上初速度,A′x-t图线如图8所表示.图线不对称是因为

造成,经过图线可求得滑板倾角θ=(用反三角函数表示),滑块与滑板间动摩擦因数μ=

.实验四探究加速度与力质量的关系第28页图8实验四探究加速度与力质量的关系第29页解析

(1)下滑时滑块速度越来越大,v—t图线斜率表示加速度大小,则a=m/s2=6m/s2,从图象能够看出,滑块沿导轨上滑与下滑加速度相等,这说明摩擦力对滑块运动影响不显著,可忽略.(2)验证质量一定,加速度与力关系时,可经过改变斜面倾角即改变斜面高度h方法去改变滑块受力大小.在验证力一定,加速度与质量关系时,可通过改变滑块质量和斜面高度,因为力F=Mgsinθ=Mg,要确保力不变,则M·h一定不变.实验四探究加速度与力质量的关系第30页(3)从x—t图象能够看出,沿滑板向上运动与向下运动所用时间不相同,这是因为存在摩擦力引发加速度不同造成.从图象能够看出,上滑运动距离与下滑运动距离相等,都为x=(0.85-0.20)m=0.65m上滑时间t1=0.4s,下滑时间t2=(0.99-0.4)s=0.59s,由运动学规律知x=x=而a1=gsinθ+μgcosθa2=gsinθ-μgcosθ联立以上四式得:sinθ=0.59,即θ=arcsin0.59,μ=0.3实验四探究加速度与力质量的关系第31页答案

(1)6不显著,可忽略(2)斜面高度h滑块A质量M及斜面高度h,且使M·h不变(3)滑动摩擦力arcsin0.59(arcsin0.57~arcsin0.64都算对)0.3(0.2~0.4都算对)实验四探究加速度与力质量的关系第32页素能提升1.在“验证牛顿运动定律”试验中,在研究加速度

a与小车质量M关系时,因为没有注意一直满足

M＞＞m条件,结果得到图象应是下列图中()实验四探究加速度与力质量的关系第33页解析

在本试验中绳中张力F=,则小车加速度a=,在研究加速度跟小车质量M关系时,保持m不变,若横轴为1/(M+m),则a-1/(M+m)图象应是过原点直线,当满足Mm时,m可以忽略不计,a≈,a-1/M图象还能够满足图象是过原点直线;当小车质量较小、不满足Mm时,图象便发生向下弯曲.故选D.答案

D实验四探究加速度与力质量的关系第34页2.关于验证牛顿运动定律试验,以下说法中符合实际是 () A.经过同时改变小车质量m及受到拉力F研究,能归纳出加速度、力、质量三者之间关系 B.经过保持小车质量不变,只改变小车拉力研究,就能够归纳出加速度、力、质量三者之间关系 C.经过保持小车受力不变,只改变小车质量研究,就能够得出加速度、力、质量三者之间关系 D.先不改变小车质量,研究加速度与力关系;再不改变力,研究加速度与质量关系,最终归纳出加速度、力、质量三者之间关系实验四探究加速度与力质量的关系第35页解析

因为试验中有三个量同时改变,在研究过程中采取控制变量法,经过保持小车质量不变,只改变小车拉力研究,能够归纳出加速度、力二者之间关系,再经过保持小车受力不变,只改变小车质量研究,能够得出加速度、质量二者之间关系,所以D项正确.答案

D实验四探究加速度与力质量的关系第36页3.在利用打点计时器和小车来做“验证牛顿运动定律”试验时,以下说法中正确是() A.平衡摩擦力时,应将砝码及盘内砝码经过定滑轮拴在小车上 B.连接砝码盘和小车细绳应跟长木板保持平行 C.平衡摩擦力后,长木板位置不能移动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

解析本题考查试验过程中应注意事项,选项A中 平衡摩擦力时,不能将砝码盘及盘内砝码(或小桶) 经过细绳栓在小车上,A错;选项B、C、D符合正确 操作方法,B、C、D对.BCD实验四探究加速度与力质量的关系第37页4.若测得某一物体质量M一定时,a与F相关数据资料以下表所表示.a/(m·s-2)1.984.065.958.12F/N

1.002.003.004.00(1)依据表中数据,在图9坐标中画出a—F图象.图9(2)依据图象判定:当M一定时,a与F关系为

.实验四探究加速度与力质量的关系第38页解析

本题主要考查“探究加速度与力、质量关系”试验数据处理方法及结果分析.若a与F成正比,则图象是一条过原点直线.同时,因试验中不可避免地出现误差,则在误差允许范围内图象是一条过原点直线即可.连线时应使直线过尽可能多点,不在直线上点应大致对称分布在直线两侧,离直线较远点应视为错误数据,不给予考虑如图所表示.答案

(1)看法析图(2)正比关系实验四探究加速度与力质量的关系第39页5.如图10所表示试验装置能够验证牛顿运动定律,小 车上固定一个盒子,盒子内盛有沙子.沙桶总质量 (包含桶以及桶内沙子质量)记为m,小车总质量 (包含车、盒子及盒内沙子质量)记为M.图10实验四探究加速度与力质量的关系第40页(1)验证在质量不变情况下,加速度与合外力成正比:从盒子中取出一些沙子,装入沙桶中,称量并统计沙桶总重力mg,将该力视为合外力F,对应加速度a则从打下纸带中计算得出.屡次改变合外力F大小,每次都会得到一个对应加速度.此次试验中,桶内沙子取自小车中,故系统总质量不变.以合外力F为横轴,以加速度a为纵轴,画出a—F图象,图象是一条过原点直线.①a—F图象斜率物理意义是.②你认为把沙桶总重力mg看成合外力F是否合理？实验四探究加速度与力质量的关系第