实验探究加速度与力质量的关系课件-高一上学期物理人教版

第2节实验探究加速度与力、质量的关系第四章运动和力的关系目

录CONTENTS实验基础梳理01精典探究分析02实验能力自测03一、实验思路——控制变量法二、物理量的测量1.质量的测量:用______测量,在小车中增减______的数量,可改变小车的质量。2.加速度的测量方法1:小车做初速度为0的匀加速直线运动,用________测量小车移动的位移x,用______测量发生这段位移所用的时间t,然后由a=______计算出加速度a。方法2:利用打点计时器打出的纸带测量小车的加速度a。“逐差法”求解加速度Δx=aT2,xm-xn=(m-n)aT2(m>n)天平砝码刻度尺秒表

3.力的测量把木板的一侧垫高,以平衡小车受到的阻力,小车所受的拉力近似等于槽码的总重力。三、实验器材电磁打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、垫木、槽码、砝码、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺。四、进行实验(以案例1为例)1.用天平测出小车的质量m,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.平衡阻力:把木板无滑轮的一端下面垫一垫木,调节木板的倾斜度,使小车在不受引力时能拖动纸带沿木板匀速运动(纸带上相邻点间距相等)。4.将槽码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槽码的重力m0g。5.保持小车的质量不变,改变所挂槽码的个数可以成倍地改变小车所受的拉力,多做几次实验,并记录好槽码的重力m1g、m2g、…以及计算出相应纸带的加速度填入表格1。表格1(小车的质量一定,加速度与受力的关系)实验次数加速度a/(m·s-2)小车受力F/N1

2

3

4

…

6.保持小车所受的拉力不变,通过增减小车中的重物改变小车的质量,测出小车与所放砝码的总质量m,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。继续在小车上加放砝码,重复多做几次实验,在每次得到的纸带上标上号码。7.计算出每次实验所得纸带的加速度值及小车与砝码的总质量填入表格2。表格2(小车受到的外力一定,加速度与质量的关系)实验次数加速度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-11

2

3

4

…

五、数据处理1.分析加速度和力的关系依据表格1,以加速度a为纵坐标,外力F为横坐标,作出a-F关系图像,如图所示,该图像是一条通过原点的倾斜直线。

3.实验结论(1)保持小车质量不变时,小车的加速度a与所受合力F成正比。(2)小车所受合力F不变时,小车的加速度a与其质量m成反比。六、注意事项1.打点前小车应靠近打点计时器且应先接通电源,后释放小车。2.在平衡阻力时,不要悬挂槽码,但小车应连着纸带且接通电源。用手轻轻地给小车一个初速度,如果在纸带上打出的点的间隔均匀,表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡。3.改变槽码的质量过程中,要始终保证槽码的质量远小于小车的质量。4.作图时应使所作的直线通过尽可能多的点,不在直线上的点也要尽可能的对称分布在直线的两侧,但若遇到个别偏离较远的点可舍去。精典探究分析2探究二实验数据处理探究一实验原理与操作探究三实验创新探究一实验原理与操作例1在“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验中,某实验小组利用如图所示的实验装置,将一端带滑轮的长木板固定在水平桌面上,木块置于长木板上,并用细绳跨过定滑轮与砂桶相连,小车左端连一条纸带,通过打点计时器记录其运动情况。(1)在本实验中,保持力不变,探究加速度与质量的关系,这种研究方法叫作

。

A.控制变量法 B.等效替代法C.理想化方法解析

在本实验中,保持力不变,探究加速度与质量的关系,这种研究方法叫作控制变量法。故A正确。答案

A(2)下列做法正确的是

。

A.调节滑轮的高度,使牵引木块的细绳与长木板保持平行B.在探究加速度与力的关系时,作a-F图像应该用折线将所描的点依次连接C.实验时,先放开木块再接通打点计时器的电源D.通过增减小车上的砝码改变质量时,不需要重新调节木板倾斜度解析

为了减小误差,调节滑轮的高度,使牵引木块的细绳与长木板保持平行,故A正确;连线时不能折线相连,要用平滑的曲线连接才符合实际情况,故B错误;实验时,应先接通打点计时器的电源再放开木块,故C错误;因为平衡阻力后,满足μmgcos

θ=mgsin

θ,可以约掉质量,所以通过增减木块上的砝码改变质量时,不需要重新调节木板倾斜度,即只需平衡一次阻力,故D正确。答案

AD(3)下图是实验时平衡阻力的情形,其中正确的是

(选填字母)。

解析

平衡阻力时,是只让小车在倾斜的平板上做匀速直线运动,同时小车匀速运动需根据打点计时器打在纸带上的点判断,故B正确。答案

B训练1如图甲所示为某实验小组探究“加速度与物体受力、物体质量关系”的实验装置图。(1)该实验所用实验器材有:电火花计时器、纸带、带滑轮的长木板、垫块、小车和砝码、槽码、天平(附砝码)。除以上器材外,还需要的是

。

A.秒表

B.刻度尺C.交流电源

D.直流电源(2)实验中把长木板的一侧垫高,以平衡长木板对小车的摩擦阻力和其他阻力。具体操作:调节木板的倾斜度,使小车在

(选填“挂”或“不挂”)槽码时能拖动纸带沿木板匀速运动。

(3)实验过程中测得槽码的质量为m0,小车的质量为m。在平衡摩擦力后,小车所受的合力理论上指的是

(填选项前的字母),而实验中却用

(填选项前的字母)表示,说明小车在加速过程中这两个力只是近似相等,近似相等的条件是

(用m0、m表示)。

A.槽码的重力

B.小车的重力C.小车受到的摩擦力

D.绳对小车的拉力

解析

(1)本实验中,除了电火花计时器、纸带、带滑轮的长木板、垫块、小车和砝码、槽码、天平(附砝码)以外还需要用刻度尺测量纸带上各点间距和交流电源让电火花计时器工作,B、C正确。(2)平衡摩擦力和其他阻力的正确操作方法是:小车放在木板上,后面固定一条纸带,纸带穿过电火花计时器。把木板一端垫高,调节木板的倾斜度,接通电源,开始打点,轻推一下小车,让小车在不挂槽码时能拖动纸带沿木板做匀速直线运动。

例2“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图甲所示。探究二实验数据处理甲

甲(2)某同学在实验中,打出的一条纸带如图乙所示,他选择了几个计时点作为计数点。相邻两计数点间还有4个计时点没有标出,其中x1=7.06cm、x2=7.68cm、x3=8.30cm、x4=8.92cm,已知交流电的频率为50Hz,则纸带加速度的大小是

m/s2(保留2位有效数字)。

乙

(3)某同学将长木板右端适当垫高,其目的是

。但他把长木板的右端垫得过高,使得倾角过大,用a表示小车的加速度,F表示细线作用于小车的拉力,他绘出的a-F关系图像是

。

解析

将长木板右端适当垫高的目的是平衡阻力;把长木板的右端垫得过高,使得倾角过大,小车所受重力沿平行木板方向的分力大于小车受到的阻力,在小车不受细线的拉力时,小车可具有一定的加速度,a-F图像不过原点,在纵轴上有截距,故C正确。答案

平衡阻力C

训练2某同学设计了一个“探究加速度a与物体所受合力F及物体质量m的关系”的实验,如图甲所示为实验装置简图(交流电源的频率为50Hz)。甲(1)图乙所示为某次实验得到的纸带,根据纸带可求出小车的加速度大小为

m/s2(结果保留2位有效数字)。

乙

序号12345678小车加速度a/(m·s-2)1.901.721.491.251.000.750.500.30小车质量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.67/kg-14.003.453.032.502.001.411.000.60

(3)保持小车的质量不变,改变沙和沙桶的质量,该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F变化的图线,如图丁所示。该图线不通过原点,其主要原因是

。

(3)由a-F图线可知,F增大到某一值时小车才开始有加速度,说明没有平衡阻力或者平衡阻力不足。例3为了探究加速度与力的关系,使用如图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,当滑块通过G1、G2光电门时,光束被遮挡的时间Δt1、Δt2都可以被测量并记录,滑块连同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,牵引槽码的质量为m,回答下列问题:探究三实验创新(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?

。

解析

取下牵引槽码,轻推滑块,数字计时器记录的两个光电门的光束被遮挡的时间相等。答案

见解析(2)若M=0.4kg,改变m的值,进行多次实验,以下m的取值不合适的一个是

。

A.m1=5g B.m2=15g C.m3=40g D.m4=400g解析

在探究加速度与力的关系的实验中,当槽码的质量远小于滑块连同上面固定的挡光片的总质量时,才能近似认为滑块受到的拉力等于槽码受到的重力,故D不合适。答案

D(3)在此实验中,需要测得每一个牵引力对应的加速度,求得的加速度a的表达式为

(用Δt1、Δt2、D、x表示)。

实验能力自测31.(2025·湖北武汉月考)某实验小组利用图甲所示的装置探究加速度与力、质量的关系。(1)下列实验操作中的做法,正确的是

。

A.实验时,先放开小车再接通打点计时器的电源B.调节左侧滑轮的高度,使牵引小车的细绳与长木板保持平行C.在将木板右端垫高以平衡小车受到的阻力时,应将装有砝码的砝码盘通过定滑轮拴在小车上D.通过增减小车上的砝码改变质量时,不需要重新调节木板的倾角(2)为使砝码盘及盘内砝码的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力,应满足的条件是砝码盘及盘内砝码的总质量

小车和小车上砝码的总质量(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)。

答案

(1)BD

(2)远小于(3)未平衡阻力,或平衡阻力不够解析

(1)为了避免纸带上出现大量的空白段落,实验时,应先接通打点计时器的电源再放开小车,故A错误;为了使细绳拉力等于小车所受外力的合力,实验时,应调节左侧滑轮的高度,使牵引小车的细绳与长木板保持平行,故B正确;在将木板右端垫高以平衡小车受到的阻力时,不需将装有砝码的砝码盘通过定滑轮拴在小车上,故C错误;平衡阻力时有Mgsin

θ=μMgcos

θ,可知,小车质量左右两侧可以消去,即通过增减小车上的砝码改变质量时,不需要重新调节木板的倾角,故D正确。

2.某同学用图甲所示装置做“探究物体的加速度与力的关系”的实验。实验时保持小车质量不变,用槽码所受的重力作为小车受到的合力,实验所用打点计时器的电源频率为50Hz。(1)该同学挑选出的纸带如图乙所示。图中A、B、C、D、E是按打点先后顺序依次选取的计数点,相邻计数点间有四个点未画出,其中A、B两点的测量数据如图,从刻度尺读出A、B两点间距离为

cm,利用图乙所给数据,计数点C对应小车的瞬时速度为

m/s,整个运动过程中小车的加速度为

m/s2(结果保留至小数点后2位)。

(2)实验时改变所挂槽码的质量,分别测量小车在不同外力作用下的加速度。根据测得的多组数据作出图丙所示的a-F关系图线,图线不通过坐标原点O的原因是

(选填“平衡阻力过度”或“平衡阻力不足”),曲线上部弯曲的原因是

。

3.为了探究物体质量一定时加速度与力的关系,甲、乙两同学设计了如图(a)所示的实验装置,其中M为小车的质量,m为砂和砂桶的总质量,滑轮固定在车上,质量为m0=0.1kg。力传感器可测出轻绳上的拉力F的大小,不计滑轮与轻绳之间的摩擦。(1)实验时,一定要进行的操作是

(填写选项前的字母)。

A.用天平测出砂和砂桶的总质量B.将带滑轮的长木板右端垫高,以平衡阻力C.小车靠近打点计时器,先接通电源,再释放小车,打出一条纸带,同时记录力传感器的示数D.为减小误差,实验中一定要保证砂和砂桶的总质量m远小于小车的质量M(a)(2)甲同学在实验中得到如图(b)所示的一条纸带(相邻两计数点间还有四个点没有画出),已知打点计时器采用的是频率为50Hz的交流电,根据纸带可求出打点计时器打下标号为2的点时小车的速度为

m/s,小车的加速度为

m/s2(结果保留3位有效数字)。

(b)(c)(3)乙同学根据测量数据作出如图(c)所示的a-F图线,该同学做实验时存在的问题是

。

答案

(1)BC

(2)0.396

0.380

(3)没有平衡阻力或者平衡阻力不够解析

(1)本题中轻绳上的拉力可以由力传感器测出,因此不需要用天平测出砂和砂桶的总质量,也不需要使砂和砂桶的总质量远小于小车的质量,A、D错误;实验时需将长木板右端垫高,以平衡阻力,B正确;实验时,小车应靠近打点计时器,先接通电源,再释放小车,并记录力传感器的示数,C正确。(a)(b)(c)(a)(b)(c)

(a)(b)(c)(3)由图(c)可知,当a=0时,F不等于0,故乙同学没有平衡阻力或者平衡阻力不够。4.为了探究加速度与力、质量的关系,甲、乙、丙三位同学分别设计了如图甲、乙、丙所示的实验装置,小车总质量用M表示(乙图中M包括小车与力传感器,丙图中M包括小车和与小车固连的定滑轮),槽码总质量用m表示。(1)为便于测量合外力的大小,并得到小车总质量一定时,小车的加速度与所受合外力成正比的结论,下列说法正确的是

。

A.三组实验中只有甲需要平衡阻力B.三组实验都需要平衡阻力C.三组实验中只有甲需要满足所挂槽码的总质量m远小于小车的总质量M的条件D.三组实验都需要满足所挂槽码的总质量m远小于小车的总质量M的条件(2)图丁是用图甲装置中打点计时器所打的纸带的一部分,O、A、B、C、D和E为纸带上六个计数点,则OD间的距离为

cm。图戊是根据实验数据绘出的x-t2图线(x为各计数点至同一起点的距离),则加速度大小a=

m/s2(保留3位有效数字)。

(3)若乙、丙两位同学发现某次测量中力传感器示数是弹簧测力计示数的2倍,通过计算得到小车加速度均为a,则乙、丙两位同学实验时所用小车总质量之比为

。

答案

(1)BC

(2)1.20

0.933

(3)1∶1解析

(1)为便于测量合外力的大小,认为甲中槽码的重力即为合外力,而乙中力传感器的示数等于合外力,丙中的合外力则是弹簧测力计示数的2倍。因此它们都必须