2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理必修1 第4章运动和力的关系4.2实验：探究加速度与力、质量的关系(1)课件

实验:探究加速度与力、质量的关系【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.学会用图象法分析处理实验数据的方法.【实验器材】打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、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.【实验原理】用控制变量法探究加速度与力、质量的关系:1.加速度与力的关系:保持物体的质量m不变,测量物体在不同力F的作用下的加速度a,分析a与F的关系.2.加速度与质量的关系:保持物体所受的力F不变,测量不同质量m的物体在恒力F作用下的加速度a,分析a与m的关系.【实验过程】一、实验步骤1.用天平测出小车、重物(含小盘)的质量分别为m0、M0,并把数值记录下来.2.按图将实验器材安装好(小车上不系绳).

3.平衡摩擦力.在长木板无定滑轮的一端下面垫一薄木板,反复移动其位置,直到打点计时器正常工作后不挂重物的小车在斜面上做匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等).4.将重物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重物的质量M0,计算出重物的重力M0g.5.保持小车的质量不变,改变所挂重物的质量,从而改变拉力,重复步骤4,多做几次实验,并记录好相应重物的质量,进而计算出重物的重力M1g、M2g…6.保持小车所受合外力不变,在小车上加放砝码,并测出小车与所放砝码的总质量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,在每次得到的纸带上标上号码并测出每次实验小车与所放砝码的总质量m2、m3…8.在每条纸带上都选取一段比较理想的部分,标明计数点,测量计数点之间的距离,算出每条纸带上加速度的值.结合步骤5填写表一.表一:物体的质量一定,加速度与受力的关系实验序号加速度a/(m·s-2)小车受力F/N1234结合步骤7填写表二.表二:物体受到的合外力一定,加速度与质量的关系实验序号加速度a/(m·s-2)小车与砝码总质量m/kg小车与砝码总质量的倒数/kg-112实验序号加速度a/(m·s-2)小车与砝码总质量m/kg小车与砝码总质量的倒数/kg-134二、数据处理1.计算法:测得加速度或加速度之比后,通过计算看看是否满足2.图象法:(1)物体的质量一定,分析加速度与力的关系.以a为纵坐标,以F为横坐标建立坐标系,根据各组数据在坐标系中描点,利用图象找规律,如图所示.如果a-F图线是一条过原点的直线,则可以得出结论:质量不变时,加速度与力成正比.(2)物体的受力一定,分析加速度与质量的关系.“a与m成反比”实际上就是“a与成正比”.以a为纵坐标,以为横坐标建立坐标系,如果a-图线是一条过原点的直线,则可得出结论:物体受力一定时,加速度与质量成反比.【实验探究】1.小车下滑过程受哪些力的作用?其合力等于砝码和盘的重力吗?提示:小车下滑过程中受到重力、绳的拉力、木板的支持力及摩擦力作用.在完全平衡摩擦力的前提下,小车受到的合力就等于绳的拉力.绳的拉力实际上小于砝码和盘的重力,只有满足砝码和盘的总质量远小于小车的质量时,才可认为绳的拉力近似等于砝码和盘的重力.2.小车运动过程中要受到木板给它的摩擦力,怎样平衡这个摩擦力?提示:将木板无定滑轮的一端稍微垫高一些,目的是用小车重力沿斜面向下的分力来平衡摩擦力.在木板无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,直到小车不挂重物时能在木板上匀速运动为止.3.在探究加速度与力、质量的关系的实验中平衡了摩擦力后,改变重物的质量,或者改变小车的质量,是否还需要重新平衡摩擦力?提示:平衡摩擦力是指小车所受的重力沿斜面的分力与小车所受摩擦阻力大小相等,即mgsinθ=μmgcosθ,等式两边m可消去,所以平衡摩擦力后,不管是改变重物的质量还是改变小车的质量,都不需重新平衡摩擦力.4.在分析F一定,a与m的关系时,为什么画a-图象而不画a与m的图象?提示:在实验中如果发现一个量x与另一个量y成反比,那么,x就应与成正比.据此,我们可以将反比函数的曲线转化为正比函数的直线.因为在处理数据时,判断一条直线是否为正比函数图象,比判断一条曲线是否为反比函数图象要简单得多.类型1实验原理及注意事项【典例1】在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,采用如图所示的实验装置,小车及车中砝码的质量用M表示,盘及盘中砝码的质量用m表示,小车的加速度可由小车后拖动的纸带打上的点计算出.(1)图示是实验中用打点计时器得到的一条纸带,A、B、C、D、E为5个相邻的计数点,相邻的两个计数点之间还有四个点未画出.已知打点计时器的工作频率为50Hz,则小车的加速度a=________m/s2(结果保留三位有效数字).

(2)以下措施正确的是________(填入相应的字母).

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.平衡摩擦力时,小车后面的纸带必须连好,因为运动过程中纸带也要受到阻力C.每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力D.实验时,先放开小车,后接通电源(3)实验中设小车的质量为M,砝码的质量为m,要使小车下滑时受到的合力大小更接近砝码的重力,进行质量m和M的选取,以下最合理的一组是________.

A.M=100g,m=10g、15g、20g、25g、30g、40gB.M=200g,m=10g、15g、20g、25g、30g、40gC.M=500g,m=10g、15g、20g、25g、30g、40gD.M=800g,m=10g、20g、30g、40g、50g、60g(4)一组同学在做加速度与质量的关系实验时,保持盘及盘中砝码的质量一定,改变小车及车中砝码的质量,测出相应的加速度,采用图象法处理数据.为了比较容易地检测出加速度a与质量M的关系,应该作a与______的图象.

(5)如图为甲同学根据测量数据作出的a-F图象,说明实验存在的问题是________.

【解题指南】解决本题的关键是理解实验的原理,知道当m的质量远小于M的质量时,m的重力可以认为等于M所受的合力.掌握匀变速直线运动推论的运用,会运用逐差法求解加速度;理解平衡摩擦力和M≫m的操作和要求的含义.【解析】(1)根据Δx=aT2可得加速度a==m/s2=0.425m/s2.(2)平衡摩擦力时,应不挂重物,只让小车拖着纸带在木板上匀速运动,选项A错误;平衡摩擦力时,小车后面的纸带必须连好,因为运动过程中纸带也要受到阻力,选项B正确;每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力,选项C正确;实验时,先接通电源,后放开小车,选项D错误.故选B、C.(3)当m≪M时,即当砝码的总质量远远小于小车的质量时,绳子的拉力近似等于砝码的总重力.因此最合理的一组是D,故选D.(4)根据牛顿第二定律F=Ma,a与M成反比,而反比例函数图象是曲线,而根据曲线很难判定出自变量和因变量之间的关系,故不能作a-M图象;但a=,故a与成正比,而正比例函数图象是过坐标原点的一条直线,就比较容易判定自变量和因变量之间的关系,故应作a-图象.(5)图中没有拉力时就产生了加速度,说明平衡摩擦力时木板倾角过大,平衡摩擦力过度.答案:(1)0.425

(2)B、C

(3)D(4)

(5)平衡摩擦力过度类型2实验数据的处理【典例2】某同学在探究“加速度与力、质量的关系”实验中探究加速度与力的关系,在保持小车质量不变的情况下,测得小车的加速度a和拉力F的数据如表所示.(1)根据测量的数据,在图中作a-F图象.(2)图线在F轴截距的物理意义是________________.

F/N0.210.300.400.49a/(m·s-2)0.100.210.290.41(3)应如何调整实验装置,才能使作出的a-F图线过坐标原点________.(填标号)

A.增加小车的质量B.减小小车的质量C.适当增大长木板的倾角D.适当减小小桶内钩码质量【解析】(1)根据测量的数据,运用描点法作a-F图象:(2)小车所受的拉力为某个值时,加速度仍然为零,即合外力为0,说明此时外力与摩擦力平衡,所以图线在F轴截距的物理意义是车在运动过程中受的滑动摩擦力f.(3)要使作出的a-F图线过坐标原点,即需要平衡摩擦力,所以适当增大长木板的倾角,使得重力分力与摩擦力抵消.故选C.答案:(1)(2)车在运动过程中受的滑动摩擦力f(3)C【补偿训练】某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m关系的实验(交流电的频率为50Hz).(1)图为某次实验得到的纸带,图中相邻两计数点之间还有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)在利用“探究加速度与力、质量的关系”的实验时,下列说法中正确的是 (

)A.平衡摩擦力时,应将砝码盘及盘内砝码通过定滑轮拴在小车上B.连接砝码盘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】(1)由于每相邻两个计数点间还有4个点没有画出,所以相邻的计数点间的时间间隔T=0.1s,根据匀变速直线运动的推论公式Δx=aT2可以求出加速度的大小,得:a=m/s2=0.195m/s2.(2)平衡摩擦力时,应将绳从小车上拿去,轻轻推动小车,使小车沿木板运动,通过打点计时器打出来的纸带判断小车是否匀速运动,故A错误;若连接砝码盘和小车的细绳与长木板不保持平行,则绳子的拉力分力等于小车的外力,这样导致误差增大,故B正确;每次改变小车的质量时,小车的重力沿斜面分力和摩擦力仍能抵消,不需要重新平衡摩擦力,故长木板的位置不能移动,以防摩擦力不再平衡,故C正确;实验时,若先放开小车,再接通打点计时器电源,由于小车运动较快,可能会使打出来的点很少,不利于数据的采集和处理,同时要求开始时小车要靠近打点计时器,故D正确;故选B、C、D.答案:(1)0.195

(2)B、C、D【类型】实验创新设计【典例】某同学设计了如图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