《实验：探究加速度与力、质量的关系》课件

2实验:探究加速度与力、质量的关系第四章内容索引0102课前篇自主预习课堂篇探究学习学习目标

思维导图实验必备•自主学习一、实验思路1．实验装置

将小车置于________上，通过滑轮与______相连．小车可以在槽码的牵引下运动．水平木板槽码

拉力不变质量质量二、物理量的测量1．质量的测量：用_____测量．为了改变小车的质量，可以在小车中增减______的数量．2．加速度的测量(1)方法1：让小车做初速度为0的匀加速直线运动，用刻度尺测量小车的位移x，并用秒表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.(2)方法2：由纸带根据公式Δx＝aT2，结合逐差法计算出小车的加速度．天平砝码

之比

等于小得多重力三、进行实验1．调试实验装置进行实验．2．加速度与力的关系：设计表格，把测得的同一个小车在不同拉力F作用下的加速度a填在表1中．表1：小车质量一定3.加速度与质量的关系：设计表格，把测得的不同质量的小车在相同拉力作用下的加速度a填在表2中．表2：小车所受的拉力一定四、数据分析

1．加速度与力的关系(小车质量不变)以a为纵坐标、F为横坐标，根据数据作a-F图像，用曲线拟合测量点，找出规律，分析a与F的关系．

五、注意事项1．打点前小车应靠近打点计时器且应先启动打点计时器后放开小车．2．在补偿阻力时，不要悬挂槽码，但小车应连着纸带且启动计时器．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的重力沿斜面向下的分力平衡．3．改变槽码的质量的过程中，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地均匀分布在直线的两侧，个别偏离较远的点应舍去．课堂篇探究学习问题一实验原理与操作[情境探究]在探究加速度与外力间的关系时,得到的图像如图中甲和乙所示,则出现此种现象的原因是什么?要点提示

甲图说明平衡摩擦力时,木板倾角过大了,即拉力F=0时,已产生加速度,此加速度是由小车重力的分力形成的。乙图说明平衡摩擦力不够或根本没有平衡摩擦力,因为当拉力增大到一定程度时才产生加速度。[知识点拨]实验注意事项1.补偿阻力:在补偿阻力时,不要把悬挂重物的细线系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,且要让小车拖着纸带匀速运动。2.不重复补偿阻力:整个实验补偿阻力后,不管以后是改变槽码总质量还是改变小车和砝码的总质量,都不需要重新补偿阻力。3.实验条件:每条纸带都必须在满足小车的质量远大于槽码的总质量的条件下打出。只有如此,槽码的总重力才可视为小车受到的拉力。4.一先一后一按住: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,且应在小车到达定滑轮前按住小车。5.作图:作图时,两坐标轴的比例要适当,要使尽可能多的点落在所作直线上,不在直线上的点应尽可能对称地分布在所作直线两侧。离直线较远的点是错误数据,应舍去不予考虑。要点笔记

实验操作过程中,可以用气垫导轨替代长木板,就可以不用补偿阻力,可以利用传感器测量作用在小车上的力,可以避免对槽码质量的限制。[实例引导]例1在研究作用力F一定时,小车的加速度a与小车(含砝码)质量m的关系的实验中,某同学安装的实验装置和设计的实验步骤如下:A.用天平称出小车和槽码的质量B.按图安装好实验器材C.把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂槽码D.将电磁打点计时器接在6V电压的蓄电池上,接通电源,释放小车,电磁打点计时器在纸带上打下一系列点,并在纸带上标明小车质量E.保持槽码的质量不变,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a-m关系图像,并由图像确定a与m的关系(1)请改正实验装置图中的错误。①电磁打点计时器位置

;

②小车位置

;

③滑轮位置

。

(2)该同学漏掉的重要实验步骤是

,该步骤应排在步骤

之后。

(3)在上述步骤中,有错误的是步骤

,应把

改为

。

(4)在上述步骤中,处理不恰当的是步骤

,应把

改为

。

解析

(1)①电磁打点计时器应固定在长木板无滑轮的一端,且应靠右端;②释放小车时,小车应靠近打点计时器;③连接小车的细绳应平行于木板,故应调节滑轮位置使细绳平行于木板。(2)实验时应补偿阻力,使小车所受重力沿木板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。实验中把槽码的重力看成与小车所受拉力大小相等,没有考虑摩擦力,故必须补偿阻力且应排在步骤B之后。(3)步骤D中电磁打点计时器接在6

V电压的蓄电池上将无法工作,必须接在约为8

V交流电源上。(4)步骤G中作a-m关系图像,得到的是曲线,很难进行正确的判断,必须“化曲为直”,改作a-关系图像。答案

(1)①应靠右端

②应靠近打点计时器

③应使细绳平行于木板

(2)补偿阻力

B

(3)D

6V电压的蓄电池

约为8V的交流电源

(4)G

作a-m关系图像

作a-关系图像规律方法

实验原理及用到的物理方法

实验方法控制变量法实验条件①平衡摩擦力(阻力补偿法);②m≪m'三个物理量的测量①小车质量的测量:利用天平测出,在小车上增减砝码可改变小车的质量。②拉力的测量:m≪m'时,F=mg。③加速度的测量:Δx=aT2,结合逐差法数据处理方法图像法——化曲为直打点计时器的使用方法一先一后一按住。先接通电源、后放开小车,小车到达滑轮之前按住小车变式训练1关于探究加速度与力、质量的关系的实验操作,下列说法符合实际的是(

)A.通过同时改变小车的质量m及受到的拉力F的研究,能归纳出加速度、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,就可以归纳出加速度、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,就可以得出加速度、力、质量三者之间的关系D.先不改变小车质量,研究加速度与力的关系;再不改变小车受力,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解析

做本实验时采用的是控制变量法。必须控制某一量不变研究加速度与另一量的关系,不可能同时改变质量和力,故只有D正确。答案

D问题二数据处理与误差分析[情境探究]某同学在探究加速度与合外力关系的实验时,将牵引物重力等同于细线对小车的拉力,根据打点计时器打出的纸带得到小车加速度,绘制了a-F图像如图所示。(1)如何根据纸带上的点迹分布获取加速度?(2)图像一开始为直线,随着拉力F的增大,细线为什么发生了弯曲?要点提示

(1)利用逐差法计算小车的加速度。(2)实验原理不完善造成系统误差:此处F为牵引物重力,并非实际作用于小车的拉力,牵引物(槽码)的总质量越小,误差越小。拉力F很大时,AB段明显偏离直线,即所挂重物质量太大,不满足远小于小车和车中钩码总质量的条件。[知识点拨]1.数据处理(1)计算加速度——先在纸带上标明计数点,测量各计数点间的距离,根据逐差法计算各条纸带对应的加速度。(2)作图像找关系——根据记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力F,建立直角坐标系,描点画a-F图像,如果图像是一条过原点的倾斜直线,便证明加速度与作用力成正比。再根据记录的各组对应的加速度a与小车和砝码总质量M,建立直角坐标系,描点画a-图像,如果图像是一条过原点的倾斜直线,就证明了加速度与质量成反比。2.误差分析

项目产生原因减小方法偶然误差质量测量不准、计数点间距测量不准多次测量求平均值小车所受拉力测量不准①尽量减小摩擦力的影响;②使细线和纸带平行于木板作图不准使尽可能多的点落在直线上或均匀分布在直线两侧,误差较大的点舍去系统误差槽码的总重力代替小车所受的拉力使槽码的总质量远小于小车的质量[实例引导]例2某组同学设计了探究加速度a与物体所受合力F及物体质量m的关系的实验。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)某次实验时,测得小车和小车上的钩码总质量为800g,则细沙和小桶的总质量较为合理的是

。

A.50g B.500gC.5kg D.50kg(2)图乙为某次实验得到的纸带,已知实验所用电源的频率为50Hz。根据纸带可求出电火花计时器打B点时的速度大小为

m/s,小车的加速度大小为

m/s2。(结果均保留两位小数)

甲

乙

(3)在探究加速度a与物体质量m的关系时,某同学按照自己的方案将实验数据都在坐标系中进行了标注,但尚未完成图像(如图丙所示)。请帮助该同学作出坐标系中的图像。丙

(4)在探究加速度a与合力F的关系时,该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图丁所示,图线不通过坐标原点的原因是

。

丁

解析

(1)为了使细绳对小车拉力F等于细沙和小桶的总重力,需要满足小车和小车上的钩码总质量远远大于细沙和小桶的总重力,若小车和小车上的钩码总质量为800

g,则细沙和小桶的总质量较为合理的是50

g,故A正确。(2)AC这段位移的平均速度等于AC这段时间中间时刻的瞬时速度,即B点的瞬时速度,(3)根据描点法作出图像,如图所示。

(4)图线不通过坐标原点,F不为零时,加速度仍为零,知实验前没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不够。答案

(1)A

(2)1.63

1.72

(3)如图所示

(4)没有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不够规律方法

分析纸带类问题的思路(1)瞬时速度的求法:根据中间时刻的瞬时速度等于这段位移的平均速度,求解某点的瞬时速度。(2)加速度的求法:根据逐差法,即Δx=aT2,求解小车的加速度。(3)寻找两物理量的关系:①计算法:根据测得的加速度之间的关系,判断是否满足

的关系。②图像法:做关于a-F的图像,看是否成一条直线,根据图像得出结论;做a-M图像得出曲线,不易判断二者之间关系,将其转成a-图像,看是否为直线,根据图像得出结论。变式训练2用如图甲所示的实验装置探究加速度a与物体所受合力F的关系:(1)某同学通过实验得到如图乙所示的a-F图像,造成这一结果的原因是:在平衡摩擦力时木板与水平桌面间的倾角

(选填“偏大”或“偏小”)。

(2)为了便于探究、减小误差,应使小车质量M与砝码的总质量m满足

的条件。

(3)某同学得到如图丙所示的纸带。已知打点计时器电源频率为50Hz。A、B、C、D、E、F、G是纸带上7个连续的点。Δs=sDG-sAD=

cm。由此可算出小车的加速度a=

m/s2(加速度值保留两位有效数字)。

丙

解析

(1)根据所给的a-F图像可知,当F=0时,小车已经有了加速度a0,所以肯定是在平衡摩擦力时木板与水平桌面间的倾角偏大造成的。(2)只有当M≫m时,小车受到的拉力才近似等于mg,从而减小误差。(3)由图读出sAD=2.10

cm,sDG=3.90

cm,所以Δs=sDG-sAD=1.80

cm,根据答案

(1)偏大

(2)M≫m

(3)1.80

5.0问题三实验创新[情境探究]实验中,将长木板用气垫导轨替代,使小车在气垫导轨上运动,是否需要补偿阻力?要点提示

小车运动过程中的阻力主要来源为小车所受的摩擦力,当小车在气垫导轨上运动时,小车和气流之间的阻力忽略不计,故不需要补偿阻力。[知识点拨]创新实验的创新模式1.在原型实验的基础上局部创新,克服掉原型实验中某方面的弊端。2.在原型实验的基础上实验仪器的创新,简化原实验的操作流程使其简化。3.实验原理的创新。[实例引导]例3(河北尚义高一月考)如图甲所示,某同学将力传感器固定在木板上,然后把绳的一端固定在传感器的挂钩上,来测量绳对木块的拉力,探究木块及传感器总质量不变时加速度跟它们所受拉力的关系。甲

(1)为消除摩擦力的影响,实验前必须平衡摩擦。李雷同学平衡摩擦力时是这样操作的:将木块静止地放在水平长木板上,把木板不带滑轮的一端慢慢垫高,直到木块由静止开始沿木板向下滑动为止。请问这位同学的操作是否正确?如果不正确,应当如何平衡摩擦力?

。

(2)如果李雷如(1)中的操作,然后不断改变对木块的拉力F,他得到木块和传感器总质量保持不变情况下的a-F图线是图乙中的

(将选项的字母填在横线上)。

乙

(3)本实验中

(选填“需要”或“不需要”)细沙和桶的总质量远小于木块和传感器的总质量。

(4)图丙给出的是实验中获取的一条纸带的一部分,0、1、2、3、4、5、6、7是计数点,每相邻两计数点间还有4个打点未标出,计数点间的距离如图所示。根据图丙中数据计算的加速度a=

(保留三位有效数字)。

丙

解析

(1)木块由静止下滑,说明重力沿斜面的分力大于摩擦力,因此平衡过度,所以该同学的操作不正确,正确的操作应该为给木块一个初速度,木块能够带动纸带匀速下滑。(2)如果李雷同学如(1)中操作,将导致平衡摩擦力过度,因此当木块上还没有挂沙和沙桶时,木块应该就已经有加速度了,故图像C正确。(3)本实验中用力传感器测量木块受到的拉力,则不需要满足细沙和桶的总质量远小于木块和传感器的总质量。(4)根据公式Δx=aT2,解得答案

(1)不正确。给木块一个初速度,木块能够带动纸带匀速下滑

(2)C

(3)不需要

(4)0.496m/s2变式训练3用DIS系统研究加速度与作用力的关系。实验步骤如下:①用天平测小车的质量。②测量钩码的重力(作为对小车的拉力)。③在轨道上放置小车并安装传感器,连接线路,用细线连接小车,跨过滑轮系住小钩码,释放小车测定加速度。④将上述测得的数据记录在表格中。⑤保持小车质量不变,改变钩码的质量大小重复实验。⑥处理实验数据,归纳得出结论。为了减小实验误差本实验应注意:①

,②

,③

。

解析

根据实验原理,本实验也要补偿阻力,使细线的拉力等于小车受到的合力。小车与轨道的摩擦力较大时,DIS测量误差较大,故应是小车与轨道的摩擦力要小。DIS直接测量拉力,故不要求钩码的质量要远远小于小车的质量,但是如果钩码的质量较大,不利于实验,故应是钩码的质量小一些。答案

①补偿阻力

②小车与轨道的摩擦力要小

③钩码的质量小些

随堂检测1.在利用打点计时器和小车来做探究加速度与力、质量的关系的实验时,下列说法不正确的是(

)A.补偿阻力时,应将槽码通过定滑轮拴在小车上B.连接槽码和小车的细绳应跟长木板保持平行C.补偿阻力后,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

选项A中补偿阻力时,不能将槽码拴在小车上,选项A说法错误;选项B、C、D符合正确的操作方法,选项B、C、D说法正确。答案

A2.为了探究物体质量一定时加速度与力的关系,某同学设计了如图所示的实验装置。其中m'为传感器和小车的质量,m