高中物理必修一第四章第二节-实验-探究加速度与力-质量的关系优质课件精校版

第四章牛顿运动定律动力学的奠基者英国科学家牛顿(1643-1727)牛顿第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。牛顿第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。力是产生加速度的原因感受实例加速度a与力F有关感受实例加速度a与质量m有关F1赛车从0加速到时速100公里只需2.3秒质量是惯性大小的量度物体的加速度a与所受到的合外力F、物体质量m有怎样的定量关系？研究方法：保持m不变，研究a与F的关系;保持F不变，研究a与m的关系。实验验证思考：如何设计实验?事实是不是这样呢？m一定，a∝F；F一定，a∝1/m。明确几个问题:2.如何由实验得出结论?1.怎么设计这个实验?1.测量哪些量?2.怎么测量?数据处理：m不变时，a与F关系；F不变时，a与m关系。a、F、mm：a:F:天平求出物体所受的合力实验设计:参考方案一:用打点计时器探究小车:打点计时器:测量小车运动过程中的加速度钩码:重力提供拉力研究对象,可用天平称其质量合力F=?GFNFf平衡摩擦力：钩码重力近似等于绳子拉力，用以表示小车受到的合外力FGG1FNfG1平衡摩擦力f。实验步骤:1.用天平测出小车的质量。2.安装好实验装置，在小车上装好纸带，纸带另一端穿过计时器限位孔，调整木板倾斜程度，平衡摩擦力。3.控制小车质量不变，用细线将钩码与小车相连（钩码质量远小于小车质量），打开打点计时器，释放小车，测出一组数据。4.改变钩码质量，多测几组数据。5.控制钩码质量不变，改变小车质量，再测几组数据。演示实验：探究加速度a与力F的关系Excel数据处理数据采集与处理链接演示实验：探究加速度a与质量m的关系Excel数据处理数据采集与处理实验结论：m一定时，a∝FF一定时，a∝1/m实验设计二：设计对比实验设计方案保持小车质量不变不变保持力光电门数字计时器拓展探究光电门1光电门2挡光板△xX/t参考方案三:利用气垫导轨来探究2222021()()22xxvvttaxxttxtxtvva120知识精析一、控制变量法1．加速度是表示物体运动状态变化快慢的物理量．根据事实经验，加速度与物体的质量有关．物体受力一定时，质量越小，加速度就越大．加速度还与物体受力的大小有关，物体质量一定时，受力越大，其加速度越大．2．控制变量法：加速度a和质量m、受力F都有关系．研究它们之间的关系时，先保持质量不变，测量物体在不同的力的作用下的加速度，分析加速度与力的关系，再保持物体所受的力相同，测量不同质量的物体在该力作用下的加速度，分析加速度与质量的关系．这种先控制一个参量不变，研究其余参量之间变化关系的方法叫控制变量法二、物体运动的加速度的求法1．在物体后安装一条纸带，通过分析打点计时器在纸带上打下的一系列的点，根据Δx＝aT2求出物体运动的加速度．2．根据初速度为零的匀加速运动的规律x＝12at2求加速度，或让两个物体同时由静止开始做匀加速运动，经过同样的时间再让两物体同时停止运动，量出两物体的位移x1、x2，则：x1x2＝a1a2.三、平衡摩擦力的目的和方法1．目的：实验中小车要受到摩擦阻力的作用，增加了实验的难度．垫高水平木板不带滑轮的一端，使小车自身重力沿斜面的分力平衡摩擦力，这样小车所受拉力即为合力，提高了实验成功率．2．方法：不挂托盘，使小车拖着纸带，纸带通过打点计时器，并且使打点计时器处于工作状态，逐渐调节木板的倾角，使打下的纸带点间距相等，则说明小车做匀速直线运动，即平衡了摩擦力．四、实验注意事项1．平衡摩擦力时不要挂重物，整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变盘和砝码的质量还是改变小车及砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力．2．实验中必须满足小车和砝码的质量远大于小盘和砝码的总质量．只有如此，砝码和小盘的总重力才可视为与小车受到的拉力相等．3．各纸带上的加速度a，都应是该纸带上的平均加速度．4．作图象时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧．离直线较远的点是错误数据，可舍去不予考虑．5．小车应靠近打点计时器且先接通电源再放手．五、误差分析1．质量的测量误差、纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差，拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差．2．因实验原理不完善造成误差：本实验中用小盘及砝码的总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小盘及砝码的总重力)，存在系统误差．小盘及砝码的总质量越接近小车的质量，误差就越大；反之，小盘及砝码的总质量越小于小车的质量，误差就越小．3．平衡摩擦力不准造成误差：在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其他的都跟正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器)，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上点的距离相等．链接方法指导一、探究加速度与质量的关系例1某同学在实验中保持拉力不变，得到了小车加速度随质量变化的一组数据，如下表所示．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m－1/kg－110.290.205.020.250.254.030.220.303.340.180.352.950.160.402.5请你在图21－2甲方格纸中建立合适坐标系并画出能直观反映出加速度与质量关系的图线．解析先确定坐标的含意，再按表格数据描点，最后把各点连成直线．“a与m成反比”实际上就是“a与1m成正比”，以a为纵坐标，以1m为横坐标建立坐标系，选取适当的标度，描出坐标点，连线得到图象如图21－2乙所示．图21-2乙二、探究加速度与力的关系在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，若测得某一物体M一定时，a与F的关系的有关数据资料如下表.(1)根据表中数据，画出a－F图象．(2)从图象可以判定：当M一定时，a与F的关系为______．若a与F成正比，图象应是一条过原点的直线．同时因实验中不可避免地出现误差，描出的点不在一条直线上是很正常的，连线时应使直线过尽量多的点，不在直线上的点应大致对称分布在直线两侧，离直线较远的点应视为错误数据，不予考虑．a/(m·s－2)1.984.065.958.12F/N1.002.003.004.00(2)由图象可知a与F成正比关系．答案(1)如图所示(2)正比关系因为a与F成正比，所以尽量把图线画成通过原点，直线的斜率表示物体质量的倒数．变式训练1某同学在做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时，画出了如图21－3甲所示的三条图线，这三条图线表示实验中的_______不同．条平行于a轴的直线，与三条图线有三个交点，可以看出解析如图21－3乙所示，过F轴上的某一点作一三个交点对应的纵坐标a的值不同，a的值越小，运动状态越难改变，惯性越大，质量也就越大，可见三条图线对应实验中物体的质量不同，且斜率越小的，质量越大．答案小车的质量三、实验误差分析例3用图21－4甲所示的装置研究质量一定时加速度与作用力的关系．研究的对象是放在长木板上的小车，小车的质量为M，长木板是水平放置的．小车前端拴着细轻绳，跨过定滑轮，下面吊着沙桶．实验中认为细绳对小车的作用力F等于沙和桶的总重力mg.用改变沙的质量的办法来改变小车的作用力F，用打点计时器测出小车的加速度a，得出若干组F和a的数据．然后根据测得的数据作出a－F图线．一学生作出图21-4乙所示的图线，发现横轴上的截距OA较大，明显地超出了偶然误差的范围，这是由于在实验中没有进行下面的步骤，即.解析细绳对小车的拉力F达到一定的数值前，小车仍静止，表示木板的摩擦力不能忽略，同时也表明该同学做实验时，没有给实验装置平衡摩擦力．答案给实验装置平衡摩擦力变式训练2如果此学生根据测得的数据作出的a－F图线如图21－5所示，则：(1)实验中出现误差的原因是什么？答：___________________________________________(2)应该怎样处理这种情况？答___________________________________________________解析当力F为零时，加速度不为零，就说明当力为零时，小车仍在长木板上向下加速，其原因就是平衡摩擦力时长木板倾角过大，使得小车的重力沿斜面向下的分力大于小车所受滑动摩擦力，所以应重新调整木板，平衡摩擦力．答案(1)平衡摩擦力时，长木板的倾角过大(2)减小长木板的倾角，重新平衡摩擦力四、实验注意事项例4在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，当作用力一定时(悬挂的重物或沙桶重力不变)，探索加速度与质量的关系时，下列说法正确的是()A．平衡摩擦力时，应将装沙的小桶用细绳通过定滑轮系在小车上B．每次改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力C．实验时，先放开小车，再接通打点计时器的电源D．小车运动的加速度可用天平测出小车的质量M和沙及沙桶的质量m，直接用公式求出a＝mMg解析在平衡摩擦力时，不应将装沙的小桶通过定滑轮连在小车上，而是在木板后端垫上适应厚度的薄片，再观察小车能在木板上带着纸带匀速下滑即可，故选项A错误，B正确；操作时应先接通打点计时器的电源再放开小车，故选项C错误；牛顿第二定律是本实验要达到的目标，不能把它作为理论根据来计算加速度，其加速度只能从纸带提供的数据计算得出，故选项D错误．答案B课堂小结本节课以实验为依据，采用控制变量法进行研究，根据已掌握的物理知识设计实验方案，探索物理规律是物理学研究的重要方法。1．关于“探究加速度与力、质量的关系”的实验，下列说法中符合实际的是()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课堂练习√2、在做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时，某学生将实验装置如图所示安装，准备接通电源后开始做实验，但他的装置图中有两个明显的错误，请你指出来：（1）（2）没有平衡摩擦力打点计时器应使用低压交流电源3．某同学在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，测得小车的加速度a和拉力F的数据如下表所示：F/N0.200.300.400.500.60a/(m·s－2)0.110.190.290.400.51(1)根据表中的数据在图实－4－9所示的坐标中作出a－F图象；(2)图象的斜率的物理意义是_________________；(3)图象(或延长线)与F轴的截距的物理意义是___________；(4)小车和砝码的总质量为________kg.解析：(1)选取适当的标度，作出a－F图象如图所示．(2)由F＝Ma得a＝F/M，可见图象的斜率为小车和砝码的总质量的倒数．(3)图象与F轴的截距表示加速度恰好为零时的拉力，也即是小车受到的阻力，大小为0.1N.(4)由图可知图线斜率k＝1(kg－1)，由k＝1/M可得：M＝1kg.如何测量加速度a:1.直接测量2.间接比较构建一匀变速直线运动打点计时器光电门0vvat20220122xvtatvvax对应仪器20210,22vxatxat控制运动时间t相同a与x成正比,用x比较a的大小