高中物理 第四章 牛頓運動定律 第2節(jié) 實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系課件 新人教必修1

第第四四章章第第節(jié)節(jié)實驗理論指導(dǎo)實驗理論指導(dǎo)典題案例導(dǎo)析典題案例導(dǎo)析知能演練提升知能演練提升題型一題型一題型二題型二題型三題型三一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?1)(1)學(xué)會用控制變量法探究物理規(guī)律。學(xué)會用控制變量法探究物理規(guī)律。(2)(2)探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。二、實驗原理二、實驗原理控制變量法：在探究加速度與力、質(zhì)量三者關(guān)系時，控制變量法：在探究加速度與力、質(zhì)量三者關(guān)系時，先讓其中一個量保持不變來探究其他兩個量之間的關(guān)系。先讓其中一個量保持不變來探究其他兩個量之間的關(guān)系。(1)(1)探究加速度與力的關(guān)系的基本思路：保持物體的質(zhì)探究加速度與力的關(guān)系的基本思路：保持物體的質(zhì)量不變，測量物體在不同力的作用下的加速度，分析加量不變，測量物體在不同力的作用下的加速度，分析加速度與力的關(guān)系。速度與力的關(guān)系。(2)(2)探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系的基本思路：保持物體所探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系的基本思路：保持物體所受的力不變，測量不同質(zhì)量的物體在該力作用下的加速度，受的力不變，測量不同質(zhì)量的物體在該力作用下的加速度，分析加速度與質(zhì)量的關(guān)系。分析加速度與質(zhì)量的關(guān)系。(3)(3)實驗方案：這個實驗中需要測量的物理量有三個：實驗方案：這個實驗中需要測量的物理量有三個：物體的加速度、物體所受的力、物體的質(zhì)量。質(zhì)量用天平物體的加速度、物體所受的力、物體的質(zhì)量。質(zhì)量用天平測量，因此本實驗要解決的主要問題是怎樣測量加速度和測量，因此本實驗要解決的主要問題是怎樣測量加速度和物體所受的力。物體所受的力。怎樣測量怎樣測量(或比較或比較)物體的加速度：物體的加速度：在運動物體上安裝一條穿過打點計時器的紙帶，根據(jù)在運動物體上安裝一條穿過打點計時器的紙帶，根據(jù)紙帶上打出的點來測量加速度。在這個實驗中也可以測加紙帶上打出的點來測量加速度。在這個實驗中也可以測加速度與其他量之間的比例關(guān)系。測量不同情況下速度與其他量之間的比例關(guān)系。測量不同情況下(即不同即不同受力、不同質(zhì)量時受力、不同質(zhì)量時)物體加速度的比值就可以了。物體加速度的比值就可以了。怎樣提供和測量物體所受的恒力：怎樣提供和測量物體所受的恒力：設(shè)計的實驗裝置如圖設(shè)計的實驗裝置如圖4 42 21 1所示。所示。圖圖4 42 21 1a a對此實驗中力的理解：除了在真空中拋出或落下的對此實驗中力的理解：除了在真空中拋出或落下的物體物體(僅受重力僅受重力)外，僅受一個力的物體幾乎是不存在的。然外，僅受一個力的物體幾乎是不存在的。然而，一個單獨的力的作用效果與跟它大小、方向都相同的合而，一個單獨的力的作用效果與跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的，因此，實驗中的力力的作用效果是相同的，因此，實驗中的力F F的含義可以是的含義可以是物體所受的合力。物體所受的合力。b b平衡摩擦力：如圖平衡摩擦力：如圖4 42 21 1所示，紙帶穿過打點計時所示，紙帶穿過打點計時器。為了消除摩擦力對小車的影響，可將木板無滑輪的一端器。為了消除摩擦力對小車的影響，可將木板無滑輪的一端稍微墊高一些，用小車的重力的分力來抵消它所受到的摩擦稍微墊高一些，用小車的重力的分力來抵消它所受到的摩擦力，直到小車不掛重物時能在木板上勻速運動為止。力，直到小車不掛重物時能在木板上勻速運動為止。當(dāng)掛上重物時，只要重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，當(dāng)掛上重物時，只要重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量，那么我們可近似認(rèn)為托盤和砝碼所受的重力大小等于小那么我們可近似認(rèn)為托盤和砝碼所受的重力大小等于小車所受的合力的大小。增減盤中砝碼的個數(shù)可改變小車車所受的合力的大小。增減盤中砝碼的個數(shù)可改變小車所受到的合力。所受到的合力。三、實驗器材三、實驗器材 打點計時器、紙帶、復(fù)寫紙片、小車、一端附有打點計時器、紙帶、復(fù)寫紙片、小車、一端附有定滑輪的長木板、小盤、砝碼、夾子、細(xì)繩、低壓交定滑輪的長木板、小盤、砝碼、夾子、細(xì)繩、低壓交流電源、導(dǎo)線、天平流電源、導(dǎo)線、天平(帶有一套砝碼帶有一套砝碼)、刻度尺。、刻度尺。四、實驗步驟四、實驗步驟(1)用天平測出小車和重物的質(zhì)量分別為用天平測出小車和重物的質(zhì)量分別為M0、m0，并，并把數(shù)值記錄下來。把數(shù)值記錄下來。(2)按圖按圖422將實驗器材安裝好將實驗器材安裝好(小車上不系繩小車上不系繩)。圖圖422(3)平衡摩擦力，把木板無滑輪的一端下面墊一薄平衡摩擦力，把木板無滑輪的一端下面墊一薄木板，反復(fù)移動其位置，直到打點計時器正常工作后木板，反復(fù)移動其位置，直到打點計時器正常工作后不掛重物的小車在斜面上做勻速直線運動為止不掛重物的小車在斜面上做勻速直線運動為止(紙帶上紙帶上相鄰點間距相等相鄰點間距相等)。(4)將重物通過細(xì)繩系在小車上，接通電源放開小將重物通過細(xì)繩系在小車上，接通電源放開小車，用紙帶記錄小車的運動情況；取下紙帶并在紙帶車，用紙帶記錄小車的運動情況；取下紙帶并在紙帶上標(biāo)上號碼及此時所掛重物的重力上標(biāo)上號碼及此時所掛重物的重力m0g。(5)保持小車的質(zhì)量不變，改變所掛重物的重力，保持小車的質(zhì)量不變，改變所掛重物的重力，重復(fù)步驟重復(fù)步驟(4)，多做幾次實驗，每次小車從同一位置釋，多做幾次實驗，每次小車從同一位置釋放，并記錄好相應(yīng)紙帶及重物的重力放，并記錄好相應(yīng)紙帶及重物的重力m1g、m2g、(6)保持小車所受合外力不變，在小車上加放砝碼，保持小車所受合外力不變，在小車上加放砝碼，并測出小車與所放砝碼的總質(zhì)量并測出小車與所放砝碼的總質(zhì)量M1，接通電源，放開，接通電源，放開小車用紙帶記錄小車的運動情況，取下紙帶并在紙帶小車用紙帶記錄小車的運動情況，取下紙帶并在紙帶上標(biāo)上號碼。上標(biāo)上號碼。(7)繼續(xù)在小車上加放砝碼，重復(fù)步驟繼續(xù)在小車上加放砝碼，重復(fù)步驟(6)，多做，多做幾次實驗，在每次得到的紙帶上標(biāo)上號碼。幾次實驗，在每次得到的紙帶上標(biāo)上號碼。五、數(shù)據(jù)處理五、數(shù)據(jù)處理(1)在每條紙帶上選取一段比較理想的部分，計算在每條紙帶上選取一段比較理想的部分，計算出加速度出加速度a。(2)當(dāng)小車質(zhì)量當(dāng)小車質(zhì)量M不變時，將每次測出的小車受到不變時，將每次測出的小車受到的合外力的合外力F和相應(yīng)的加速度和相應(yīng)的加速度a的值填入下表。的值填入下表。實驗次數(shù)實驗次數(shù)n小車受力小車受力F/N加速度加速度a/(ms2)12345表表1：M不變，加速度不變，加速度a與受力的關(guān)系與受力的關(guān)系(3)當(dāng)小車所受合外力不變時，將每次測量的小車當(dāng)小車所受合外力不變時，將每次測量的小車質(zhì)量質(zhì)量M和加速度和加速度a的值填入下表。的值填入下表。表表2：F不變，加速度與質(zhì)量的關(guān)系不變，加速度與質(zhì)量的關(guān)系實驗次數(shù)實驗次數(shù)n小車質(zhì)量小車質(zhì)量M/kg加速度加速度a/(ms2)12345圖圖423(5)分析分析(a)、(b)、(c)三個圖像，得出結(jié)論。三個圖像，得出結(jié)論。六、注意事項六、注意事項(1)平衡摩擦力時不要掛重物，整個實驗平衡了摩擦平衡摩擦力時不要掛重物，整個實驗平衡了摩擦力后，不管以后是改變盤和砝碼的質(zhì)量還是改變小車及砝力后，不管以后是改變盤和砝碼的質(zhì)量還是改變小車及砝碼的質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力。碼的質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力。(2)實驗中必須滿足小車和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤實驗中必須滿足小車和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于小盤和砝碼的總質(zhì)量。和砝碼的總質(zhì)量。(3)每次釋放小車時，小車應(yīng)靠近打點計時器并且先每次釋放小車時，小車應(yīng)靠近打點計時器并且先接通電源再放小車，當(dāng)小車靠近滑輪時用手按住小車。接通電源再放小車，當(dāng)小車靠近滑輪時用手按住小車。(4)各紙帶上的加速度各紙帶上的加速度a，都應(yīng)是該紙帶上的平均，都應(yīng)是該紙帶上的平均加速度。加速度。(5)作圖像時，要使盡可能多的點在所作直線上，作圖像時，要使盡可能多的點在所作直線上，不在直線上的點應(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)。不在直線上的點應(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)。離直線較遠(yuǎn)的點是錯誤數(shù)據(jù)，可舍去不予考慮。離直線較遠(yuǎn)的點是錯誤數(shù)據(jù)，可舍去不予考慮。七、誤差分析七、誤差分析(1)(1)在實驗中，我們認(rèn)為鉤碼的重力就等于小車所在實驗中，我們認(rèn)為鉤碼的重力就等于小車所受的合力。但這是有誤差的，只有在小車質(zhì)量比較大，受的合力。但這是有誤差的，只有在小車質(zhì)量比較大，鉤碼重力比較小，且長木板合理傾斜的情況下，實驗鉤碼重力比較小，且長木板合理傾斜的情況下，實驗結(jié)果才比較理想。結(jié)果才比較理想。(2)(2)質(zhì)量測量、長度測量中也存在偶然誤差，可通質(zhì)量測量、長度測量中也存在偶然誤差，可通過多次測量取平均值的方法來減小誤差。過多次測量取平均值的方法來減小誤差。(3)(3)平衡摩擦力不準(zhǔn)而造成誤差。平衡摩擦力不準(zhǔn)而造成誤差。(4)(4)描點作圖時存在誤差。描點作圖時存在誤差。八、它案設(shè)計八、它案設(shè)計用氣墊導(dǎo)軌探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系用氣墊導(dǎo)軌探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系(1)實驗設(shè)計：實驗設(shè)計：讓滑塊在砝碼拉力的作用下做加速運動，記錄讓滑塊在砝碼拉力的作用下做加速運動，記錄下滑塊通過光電門的速度、砝碼的質(zhì)量、兩光電門間下滑塊通過光電門的速度、砝碼的質(zhì)量、兩光電門間的距離。的距離。保持滑塊質(zhì)量不變，通過增加保持滑塊質(zhì)量不變，通過增加(或減少或減少)砝碼的砝碼的數(shù)量來改變拉力的大小。重復(fù)實驗數(shù)量來改變拉力的大小。重復(fù)實驗3次。次。(3)數(shù)據(jù)的分析：數(shù)據(jù)的分析：設(shè)計實驗表格，將滑塊質(zhì)量不變時的實驗數(shù)據(jù)設(shè)計實驗表格，將滑塊質(zhì)量不變時的實驗數(shù)據(jù)記入表格并進行分析。記入表格并進行分析。滑塊質(zhì)量滑塊質(zhì)量M_kg砝碼砝碼的質(zhì)的質(zhì)量量m/kg滑塊所滑塊所受拉力受拉力大小的大小的近似值近似值F/N滑塊通過滑塊通過光電門光電門1的速度的速度v1/(ms1)滑塊通過滑塊通過光電門光電門2的速度的速度v2/(ms1)兩光電兩光電門間的門間的距離距離x/m滑塊加速度滑塊加速度的計算值的計算值a/(ms2)我們認(rèn)為砝碼的重力等于滑塊所受到我們認(rèn)為砝碼的重力等于滑塊所受到的拉力，但這是有條件的，即滑塊的質(zhì)量比的拉力，但這是有條件的，即滑塊的質(zhì)量比砝碼的質(zhì)量大得多，滑塊的加速度不能太大。砝碼的質(zhì)量大得多，滑塊的加速度不能太大。例例1下面是下面是“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗步驟：實驗步驟：用天平測出小車質(zhì)量用天平測出小車質(zhì)量M和小盤質(zhì)量和小盤質(zhì)量m安裝好打點計時器，在小車上裝好紙帶安裝好打點計時器，在小車上裝好紙帶調(diào)整長木板的傾斜程度調(diào)整長木板的傾斜程度在小盤中加入適量的砝碼在小盤中加入適量的砝碼m1保持小車質(zhì)量一定時，探究加速度與力的關(guān)系保持小車質(zhì)量一定時，探究加速度與力的關(guān)系保持小車所受拉力一定時，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系保持小車所受拉力一定時，探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系(1)步驟步驟的目的是的目的是_。(2)步驟步驟中，要求小盤和砝碼總質(zhì)量中，要求小盤和砝碼總質(zhì)量(mm1)_小車質(zhì)量小車質(zhì)量M。(3)步驟步驟和和，表明該實驗采用的科學(xué)方法，表明該實驗采用的科學(xué)方法是是_。解析解析(1)步驟步驟是為了平衡掉小車與木板、紙帶與是為了平衡掉小車與木板、紙帶與打點計時器間的摩擦力，使小車所受的合力等于小盤和砝打點計時器間的摩擦力，使小車所受的合力等于小盤和砝碼的重力。碼的重力。(2)步驟步驟中，要求小盤和砝碼總質(zhì)量中，要求小盤和砝碼總質(zhì)量(mm1)遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量小車的質(zhì)量M。(3)該實驗采用的是控制變量法。該實驗采用的是控制變量法。答案答案(1)平衡摩擦力平衡摩擦力(2)遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于(3)控制變量法控制變量法圖圖 424例例2在在“探究加速度與力、探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系質(zhì)量的關(guān)系”的實驗中，采用圖的實驗中，采用圖424所示的裝置。所示的裝置。(1)本實驗應(yīng)用的實驗方法本實驗應(yīng)用的實驗方法是是_。A控制變量法控制變量法B假設(shè)法假設(shè)法C理想實驗法理想實驗法(3)某同學(xué)測得小車的加速度某同學(xué)測得小車的加速度a和拉力和拉力F的數(shù)據(jù)如的數(shù)據(jù)如表所示：表所示：(小車質(zhì)量保持不變小車質(zhì)量保持不變)F/N0.20 0.30 0.40 0.50 0.60a/(ms2)0.10 0.20 0.28 0.40 0.52根據(jù)表中的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)圖根據(jù)表中的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)圖425上作出上作出aF圖像。圖像。圖圖 425圖線不過原點的原因可能是圖線不過原點的原因可能是_。(3)作出的作出的aF圖像如圖所示。圖像如圖所示。由由aF圖像可知，當(dāng)力圖像可知，當(dāng)力F0.1 N時，小車沒有動，時，小車沒有動，說明此時小車所受的摩擦力沒有完全平衡掉。說明此時小車所受的摩擦力沒有完全平衡掉。答案答案(1)A(2)CD(3)圖見解析圖見解析未平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠未平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠例例3在在“探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系關(guān)系”實驗中，某小組設(shè)計了如圖實驗中，某小組設(shè)計了如圖426所示的實驗所示的實驗裝置。裝置。圖圖 426(1)由于滑塊由于滑塊M與軌道間有氣墊，所以與軌道間有氣墊，所以M受到的阻受到的阻力極小，可以忽略不計。實驗前需要調(diào)整氣墊導(dǎo)軌底力極小，可以忽略不計。實驗前需要調(diào)整氣墊導(dǎo)軌底座使之水平，利用現(xiàn)有器材如何判斷導(dǎo)軌是否水平？座使之水平，利用現(xiàn)有器材如何判斷導(dǎo)軌是否水平？(2)為了使鉤碼所受的重力等于使滑塊做勻加速運為了使鉤碼所受的重力等于使滑塊做勻加速運動的力，要求所掛鉤碼的質(zhì)量動的力，要求所掛鉤碼的質(zhì)量m與滑塊的質(zhì)量與滑塊的質(zhì)量M應(yīng)滿應(yīng)滿足什么關(guān)系？足什么關(guān)系？(3)實驗中獲得的數(shù)據(jù)如下表所示：實驗中獲得的數(shù)據(jù)如下表所示：m0.004 kgF0.039 2 Nx0.500 m試根據(jù)表中所給的數(shù)據(jù)，在如圖試根據(jù)表中所給的數(shù)據(jù)，在如圖427所示的所示的坐標(biāo)系中先標(biāo)出各坐標(biāo)軸所表示的合適的物理量及標(biāo)坐標(biāo)系中先標(biāo)出各坐標(biāo)軸所表示的合適的物理量及標(biāo)度，然后作出相關(guān)圖像。度，然后作出相關(guān)圖像。圖圖 427進而完成探究在相同力的作用下，物體的加速度進而完成探究在相同力的作用下，物體的加速度與滑塊質(zhì)量的關(guān)系。與滑塊質(zhì)量的關(guān)系。結(jié)論：在保持物體所受的合外力不變的情況結(jié)論：在保持物體所受的合外力不變的情況下，物體的加速度跟質(zhì)量成反比。下，物體的加速度跟質(zhì)量成反比。答案答案見解析見解析