高三物理一輪復(fù)習(xí) 第3章 第4講 實(shí)驗(yàn)四：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系課件.ppt

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,浙江專(zhuān)用 物理,第4講 實(shí)驗(yàn)四:探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.學(xué)會(huì)用控制變量法研究物理規(guī)律。 2.掌握用圖像法處理數(shù)據(jù)。,3.探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)原理 探究加速度a與力F及質(zhì)量m的關(guān)系時(shí),應(yīng)用的基本方法是控制變量法,即 控制一個(gè)變量——小車(chē)的質(zhì)量m不變,探討加速度a與力F的關(guān)系,再控制 小盤(pán)和砝碼的質(zhì)量不變,即控制力F不變,改變小車(chē)質(zhì)量m,探討加速度a與 m的關(guān)系。在處理數(shù)據(jù)時(shí)采用圖像法。,實(shí)驗(yàn)器材 打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、復(fù)寫(xiě)紙、小車(chē)、一端附有定滑輪的長(zhǎng)木板、小 盤(pán)、夾子、細(xì)繩、小木板、交流電源、導(dǎo)線、天平、刻度尺、砝碼。 實(shí)驗(yàn)步驟,1.用天平測(cè)出小車(chē)和小車(chē)中砝碼的總質(zhì)量m,把數(shù)值記錄下來(lái)。 2.按圖把實(shí)驗(yàn)器材安裝好,只是不把懸掛重物的細(xì)繩系在小車(chē)上,即不給 小車(chē)加牽引力。,運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦力恰好與小車(chē)所受的重力在斜面方向上的分力平衡。 4.把細(xì)繩系在小車(chē)上并繞過(guò)滑輪懸掛重物,先接通電源再放開(kāi)小車(chē),打點(diǎn) 計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列的點(diǎn),打完點(diǎn)后切斷電源,取下紙帶,在紙帶上 標(biāo)上紙帶號(hào)碼。 5.保持小車(chē)和小車(chē)中砝碼的總質(zhì)量不變,在小盤(pán)里放入適量的砝碼,把小 盤(pán)和小盤(pán)中砝碼的總質(zhì)量m'記錄下來(lái),重復(fù)步驟4。 6.重復(fù)步驟5三次。 7.在每條紙帶上都選取一段比較理想的部分,標(biāo)明計(jì)數(shù)點(diǎn),測(cè)量計(jì)數(shù)點(diǎn)間 的距離,算出每條紙帶上的加速度的值。,3.在長(zhǎng)木板不帶定滑輪的一端下面墊一塊木板,反復(fù)移動(dòng)木板的位置,直 至小車(chē)在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí)可以保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這時(shí),小車(chē)拖著紙帶,8.用縱坐標(biāo)表示加速度a,橫坐標(biāo)表示作用力F,作用力的大小等于小盤(pán)和 小盤(pán)中砝碼的總重力,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在坐標(biāo)平面上畫(huà)出相應(yīng)的點(diǎn),如果這 些點(diǎn)在一條過(guò)原點(diǎn)的直線上,便證明了加速度與作用力成正比。 9.保持小盤(pán)和小盤(pán)中砝碼的總質(zhì)量不變,改變小車(chē)和小車(chē)中砝碼的總質(zhì) 量,得到多條紙帶,用縱坐標(biāo)表示加速度a,橫坐標(biāo)表示小車(chē)和小車(chē)中砝碼 總質(zhì)量的倒數(shù),根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在坐標(biāo)平面上畫(huà)出相應(yīng)的點(diǎn),如果這些點(diǎn)在 一條過(guò)原點(diǎn)的直線上,就證明了加速度與質(zhì)量成反比。 誤差分析 1.質(zhì)量的測(cè)量誤差,紙帶上打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)間隔距離的測(cè)量誤差,拉線或 紙帶不與木板平行等都會(huì)造成誤差。,2.因?qū)嶒?yàn)原理不完善造成誤差:本實(shí)驗(yàn)中用小盤(pán)和小盤(pán)中砝碼的總重力 代替小車(chē)受到的拉力(實(shí)際上小車(chē)受到的拉力要小于小盤(pán)和小盤(pán)中砝碼 的總重力),存在系統(tǒng)誤差。小盤(pán)和小盤(pán)中砝碼的總質(zhì)量越小于小車(chē)和小 車(chē)中砝碼的總質(zhì)量,誤差就越小。 3.平衡摩擦力不準(zhǔn)造成誤差:在平衡摩擦力時(shí),除了不掛小盤(pán)外,其他的都 跟正式實(shí)驗(yàn)一樣(比如要掛好紙帶、接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器),勻速運(yùn)動(dòng)的標(biāo)志 是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上相鄰各點(diǎn)的距離相等。 注意事項(xiàng) 1.一定要做好平衡摩擦力的操作,也就是調(diào)出一個(gè)合適的斜面,使小車(chē)的重 力沿著斜面方向的分力正好平衡小車(chē)受到的摩擦力。在平衡摩擦力時(shí),不,要把懸掛重物的細(xì)線系在小車(chē)上,即不要給小車(chē)加任何牽引力,并要讓小車(chē) 拖著紙帶運(yùn)動(dòng)。若在紙帶上打出的點(diǎn)的間隔基本上均勻,則表明平衡了摩 擦力,否則必須重新調(diào)整小木板的位置。 2.實(shí)驗(yàn)步驟2、3不需要重復(fù),即整個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后,不管以后是改變 重物的質(zhì)量還是改變小車(chē)和小車(chē)中砝碼的總質(zhì)量,都不需要重新平衡摩擦 力。 3.每條紙帶必須在滿足小車(chē)與車(chē)上所加砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于重物的質(zhì)量 的條件下打出,只有如此,重物的重力才可視為等于小車(chē)受到的拉力。 4.改變拉力或小車(chē)質(zhì)量后,每次開(kāi)始時(shí)小車(chē)應(yīng)盡量靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,并應(yīng)先 接通電源,再放開(kāi)小車(chē),且應(yīng)在小車(chē)到達(dá)滑輪前按住小車(chē)。,1.如圖所示,在探究牛頓運(yùn)動(dòng)定律的演示實(shí)驗(yàn)中,若1、2兩個(gè)相同的小車(chē)所 受拉力分別為F1、F2,車(chē)中所放砝碼的質(zhì)量分別為m1、m2,打開(kāi)夾子后經(jīng)過(guò) 相同的時(shí)間兩車(chē)的位移分別為s1、s2,則在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi),有 ( ),A.當(dāng)m1=m2、F1=2F2時(shí),s1=2s2 B.當(dāng)m1=m2、F1=2F2時(shí),s2=2s1,C.當(dāng)m1=2m2、F1=F2時(shí),s1=2s2 D.當(dāng)m1=2m2、F1=F2時(shí),s2=2s1,1. 答案 A 設(shè)小車(chē)質(zhì)量為M。從原理上來(lái)分析,本實(shí)驗(yàn)中,釋放小車(chē)后, 小車(chē)只在F作用下做加速運(yùn)動(dòng),s= at2,因兩車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)間相同,則 = ,而由F =(M+m)a可知,當(dāng)m1=m2、F1=2F2時(shí)a1=2a2,則s1=2s2,A正確,B不正確。用同樣 方法分析可知,當(dāng)F1=F2時(shí), = = ,所以m1=2m2時(shí),s1s22s1,C、D不正 確。,2.為了探究加速度與力的關(guān)系,使用如圖所示的氣墊導(dǎo)軌裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 其中G1、G2為兩個(gè)光電門(mén),它們與數(shù)字計(jì)時(shí)器相連,當(dāng)滑行器通過(guò)G1、G2光 電門(mén)時(shí),光束被遮擋的時(shí)間Δt1、Δt2都可以被測(cè)量并記錄,滑行器連同上面 固定的一條形擋光片的總質(zhì)量為M,擋光片寬度為D,光電門(mén)間距離為x,牽 引砝碼的質(zhì)量為m?；卮鹣铝袉?wèn)題: (1)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前應(yīng)先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺釘,使氣墊導(dǎo)軌水平,在不增加其,他儀器的情況下,如何判定調(diào)節(jié)是否到位? 答: 。 (2)若取M=0.4 kg,改變m的值,進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),以下m的取值不合適的一個(gè)是 。 A.m1=5 g B.m2=15 g C.m3=40 g D.m4=400 g (3)在此實(shí)驗(yàn)中,需要測(cè)得每一個(gè)牽引力對(duì)應(yīng)的加速度,其中求得的加速度的 表達(dá)式為: 。 (用Δt1、Δt2、D、x表示),2. 答案 (1)取下?tīng)恳来a,M放在任意位置都不動(dòng)(或取下?tīng)恳来a,輕推 滑行器M,數(shù)字計(jì)時(shí)器記錄的Δt1=Δt2) (2)D (3)a= 解析 (1)如果氣墊導(dǎo)軌水平,則不掛砝碼時(shí),M應(yīng)能在任意位置靜止不動(dòng), 或推動(dòng)M后能使M勻速運(yùn)動(dòng)。 (2)應(yīng)滿足M?m,故m4=400 g不合適。 (3)由v1= ,v2= , - =2ax 可得:a= 。,3.如圖甲所示,利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量小車(chē)沿斜面下滑時(shí)所受阻力的示意圖, 小車(chē)拖紙帶在斜面上下滑時(shí),打出的一段紙帶如圖乙所示,其中O為小車(chē)開(kāi) 始運(yùn)動(dòng)時(shí)打出的點(diǎn)。設(shè)小車(chē)在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí)所受阻力恒定。 (1)已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的交流電頻率為50 Hz,則小車(chē)下滑的加速度a= m/s2,打E點(diǎn)時(shí)小車(chē)速度vE= m/s(均取兩位有效數(shù)字)。,(2)為了求出小車(chē)在下滑過(guò)程中所受的阻力,可運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律或動(dòng)能定 理求解,在這兩種方案中除知道小車(chē)下滑的加速度a、打E點(diǎn)時(shí)速度vE、小 車(chē)質(zhì)量m、重力加速度g外,利用米尺還需要測(cè)量哪些物理量,列出阻力的表 達(dá)式。 方案一:需要測(cè)量的物理量: ,阻力的表達(dá)式(用字母 表示): ;,方案二:需要測(cè)量的物理量: ,阻力的表 達(dá)式(用字母表示): 。,答案 (1)4.1 2.5 (2)方案一:斜面的長(zhǎng)度L和高度H f=mg -ma 方案二:斜面長(zhǎng)度L、高度H和紙帶上O、E的距離s f= - 解析 (1)a= = m/s2=4.1 m/s2。 vE= = m/s=2.5 m/s。 (2)見(jiàn)答案。,4.某探究學(xué)習(xí)小組的同學(xué)要驗(yàn)證“牛頓第二定律”,他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室組裝了 一套如圖所示的裝置,水平軌道上安裝兩個(gè)光電門(mén),小車(chē)上固定有力傳感器 和擋光板,細(xì)線一端與力傳感器連接,另一端跨過(guò)定滑輪掛上砝碼盤(pán)。實(shí)驗(yàn) 時(shí)首先保持軌道水平,通過(guò)調(diào)整砝碼盤(pán)里砝碼的質(zhì)量讓小車(chē)做勻速運(yùn)動(dòng)以 實(shí)現(xiàn)平衡摩擦力,再進(jìn)行后面的操作,并在實(shí)驗(yàn)中獲得以下測(cè)量數(shù)據(jù):小 車(chē)、力傳感器和擋光板的總質(zhì)量M,平衡摩擦力時(shí)砝碼和砝碼盤(pán)的總質(zhì)量 m0,擋光板的寬度d,光電門(mén)1和2中心的距離s。,(1)該實(shí)驗(yàn)是否需要滿足砝碼和砝碼盤(pán)的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于車(chē)的質(zhì)量? 。(填“需要”或“不需要”) (2)實(shí)驗(yàn)需用游標(biāo)卡尺測(cè)量擋光板的寬度d,如圖所示,d= mm。,(3)某次實(shí)驗(yàn)過(guò)程:力傳感器的讀數(shù)為F,小車(chē)通過(guò)光電門(mén)1和2的擋光時(shí)間分 別為t1、t2(小車(chē)通過(guò)光電門(mén)2時(shí),砝碼盤(pán)未落地),已知重力加速度為g,則該實(shí) 驗(yàn)要驗(yàn)證的表達(dá)式是 。,答案 (1)不需要 (2)5.50 (3)F=M 解析 (1)由于實(shí)驗(yàn)裝置圖中已給出了力傳感器,所以不需要滿足m0?M車(chē)。,(2)d=5 mm+0.05×10 mm=5.50 mm。 (3)小車(chē)在光電門(mén)1處的速度為v1= ,在光電門(mén)2處的速度為v2= ,根據(jù) - = 2as可得:a= 由F=Ma可知F=M,典例1 在探究物體的加速度a與物體所受外力F、物體質(zhì)量M間的關(guān)系時(shí), 采用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置。小車(chē)及車(chē)中砝碼的總質(zhì)量用M表示,盤(pán)及盤(pán)中 砝碼的總質(zhì)量用m表示。 (1)當(dāng)M與m的大小關(guān)系滿足 時(shí),才可以認(rèn)為繩子對(duì)小車(chē)的拉力大 小等于盤(pán)和砝碼的重力。,(2)某一組同學(xué)先保持盤(pán)及盤(pán)中砝碼的總質(zhì)量m一定來(lái)做實(shí)驗(yàn),以下做法正 確的是 。 A.平衡摩擦力時(shí),應(yīng)將盤(pán)及盤(pán)中的砝碼用細(xì)繩通過(guò)定滑輪系在小車(chē)上 B.每次改變小車(chē)的質(zhì)量時(shí),不需要重新平衡摩擦力 C.實(shí)驗(yàn)時(shí),先放開(kāi)小車(chē),再接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源 D.用天平測(cè)出m及M,小車(chē)運(yùn)動(dòng)的加速度可直接用公式a= 求出 (3)另兩組同學(xué)保持小車(chē)及車(chē)中砝碼的總質(zhì)量M一定,探究加速度a與所受 外力F的關(guān)系,由于他們操作不當(dāng),這兩組同學(xué)得到的a-F關(guān)系圖像分別如圖 甲和圖乙所示,其原因分別是:,圖甲: ; 圖乙: 。,解析 (1)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際加速度為a= ,實(shí)驗(yàn)時(shí)把mg當(dāng)成繩對(duì)M的拉 力,即忽略m對(duì)加速度的影響,使加速度約為a= ,顯然需m?M。(2)平衡摩 擦力的實(shí)質(zhì)是,讓重力沿斜面向下的分力與摩擦力平衡,只需將紙帶掛上,,不需施加其他外力,且改變小車(chē)質(zhì)量時(shí)不需要重新平衡摩擦力,A錯(cuò),B對(duì);每 次實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)先接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的電源,再放開(kāi)小車(chē),C錯(cuò);小車(chē)的加速度應(yīng)由 小車(chē)后面拖動(dòng)的紙帶上打出的點(diǎn)計(jì)算出,D錯(cuò)。(3)若m?M,則a= mg,斜率 基本不變,若m過(guò)大(或M過(guò)小),則m不能忽略,a= mg,隨m的增大斜率 減小。從題圖乙可以看到,有了一定的拉力而加速度為零,顯然是沒(méi) 有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠。 答案 (1)m?M (2)B (3)m過(guò)大(或M過(guò)小),造成m不是遠(yuǎn)小于M 沒(méi)有 平衡摩擦力或木板的傾角過(guò)小,典例2 (1)圖甲是探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)示意圖。根據(jù)某次實(shí) 驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù),作出a-F圖線如圖乙所示,圖線不經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的原因是 。平衡摩擦力時(shí),主要是平衡了 之間及 之間的摩擦。,(2)幾位同學(xué)分析所得到的a-F圖線不是一條直線的原因后,重新設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)如圖丙所示,滑塊M放在氣墊導(dǎo)軌上,并在滑塊上固定一個(gè)速度傳感器,力傳感器固定在另一水平臺(tái)面上,分別與電腦相連,氣墊導(dǎo)軌連上氣泵并調(diào)成水平。多次改變鉤碼m的質(zhì)量,由速度和力傳感器可以得到多組不同的加速度a、力F的值,則下列說(shuō)法中正確的是 ( ),丙,A.由于空氣阻力及繩子與滑輪間的摩擦很小,可得出a∝F的結(jié)論,圖線是傾 斜的直線 B.力傳感器測(cè)得的力F=mg/2,在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)確保鉤碼的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于滑塊的 質(zhì)量M C.除空氣阻力及繩子與滑輪間的摩擦力之外,動(dòng)滑輪C的質(zhì)量是實(shí)驗(yàn)最大 的誤差來(lái)源 D.實(shí)驗(yàn)中測(cè)出加速度a的值不可能大于重力加速度g 解析 (1)在力F=0時(shí)加速度不為零,說(shuō)明平衡摩擦力時(shí)木板墊得太高,傾 角太大,平衡摩擦力主要是平衡小車(chē)與木板間以及紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間的,解析 (1)在力F=0時(shí)加速度不為零,說(shuō)明平衡摩擦力時(shí)木板墊得太高,傾 角太大,平衡摩擦力主要是平衡小車(chē)與木板間以及紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間的 摩擦力。 (2)力傳感器測(cè)的力小于鉤碼和動(dòng)滑輪重力之和的一半,在本實(shí)驗(yàn)中鉤碼和 滑塊的質(zhì)量關(guān)系對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性沒(méi)有影響,B錯(cuò);滑輪的質(zhì)量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié) 果的準(zhǔn)確性沒(méi)有影響,C錯(cuò);當(dāng)鉤碼和動(dòng)滑輪的質(zhì)量之和比滑塊質(zhì)量大得多 時(shí)滑塊加速度會(huì)大于g,D錯(cuò)。選A。 答案 (1)平衡摩擦力時(shí)木板傾角太大 小車(chē)與木板 紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí) 器 (2)A,,