2019-2020学年新教材高中物理 第四章 第2节 实验：探究加速度与力、质量的关系课件 新人教版

第2节实验：探究加速度与力、质量的关系实验目的1．学会用“控制变量法”探究加速度与力、质量的定量关系。2．学会用图像法研究加速度与质量、加速度与力之间的关系。3．学会“化曲为直”法研究变量间的关系。实验原理1．实验思路：控制变量法(1)保持研究对象即小车的质量不变，通过改变悬挂槽码的个数改变小车所受的拉力，测出小车的对应加速度，验证加速度是否与作用力成正比。(2)保持悬挂槽码的个数不变，即保持作用力不变，改变研究对象即小车的质量，测出小车的对应加速度，验证加速度是否与质量成反比。2．方案设计(1)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：当悬挂的槽码的质量远小于小车质量的情况下，可以认为槽码的重力近似等于小车所受的拉力(合外力)。③加速度的测量：由纸带根据公式Δx＝aT2，结合逐差法计算出小车的加速度。(2)实验数据的处理——图像法、“化曲为直”法①研究加速度a和力F的关系以加速度a为纵坐标，力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出图像，如图甲所示。若图像是一条通过原点的直线，则说明a与F成正比。②研究加速度a与质量m的关系如图乙所示，因为a­m图像是曲线，检查a­m图像是否是双曲线，就能判断它们之间是否存在反比例关系，但检查这条曲线是否是双曲线，直接判断有困难。若a和m成反比，则a与1m必成正比。我们采取“化曲为直”的方法，以a为纵坐标，以1m为横坐标，作出a­1m图像，若a­1m图像是一条过原点的直线，说明a与1m成正比，即a与m成反比。实验器材小车、砝码、槽码、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、交流电源、纸带、刻度尺、天平。实验步骤与实验数据处理1．用天平测出小车的质量M，并把数值记录下来。2．按如图所示的装置把实验器材安装好(小车上先不系绳)。3．平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块，反复移动木块位置，直到使小车在不受牵引时能拖动纸带沿木板保持匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等)。4．在细绳末端悬挂一个槽码，用细绳绕过定滑轮系在小车上，在小车上加放适量的砝码，用天平测出槽码的质量m，记录下来。接通电源，放开小车，待打点计时器在纸带上打好点后取下纸带，并设计表格如下。次数123456小车加速度a/(m·s－2)槽码的质量m/kg拉力F/N5．保持小车和所放砝码的质量不变，增加悬挂槽码的个数，按步骤4做6次实验。6．在每条纸带上选取一段比较理想的部分，算出每条纸带对应的加速度的值，填入表格中。7．用纵坐标表示加速度，横坐标表示作用力，根据实验结果画出小车运动的a­F图像，从而得出a、F之间的关系。8．保持悬挂槽码的质量不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，并设计表格如下。根据实验结果画出小车运动的a­1M图像，从而得出a、M之间的关系。次数123456小车加速度a/(m·s－2)小车质量M/kg9．整理实验器材，结束实验。1M/kg－1误差分析1．系统误差本实验用槽码的重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于槽码的重力。槽码的质量越接近于小车的质量，误差越大；反之，槽码的质量越小于小车的质量，由此引起的误差就越小。因此，满足槽码的质量远小于小车的质量的目的就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差。2．偶然误差摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。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．在平衡摩擦力时，不需要悬挂槽码，但小车应连接纸带且接通电源。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．改变悬挂槽码的个数的过程中，要始终保证槽码的总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。考点一实验原理与操作[典例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，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a­M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)实验时应平衡摩擦力，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，故必须平衡摩擦力且应排在步骤B之后。(3)步骤D中电磁打点计时器接在6V电压的蓄电池上将无法工作，必须接在6V以下交流电源上。(4)步骤G中作a­M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a­1M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)平衡摩擦力B(3)D6V电压的蓄电池6V以下的交流电源(4)G作a­M关系图像作a­1M关系图像[对点训练]1．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，渗透了研究问题的多种科学方法：(1)实验环境的等效法：____________；(2)实验条件设计的科学方法：____________；(3)实验原理的简化：______________，即当小车质量M车≫m槽码时，细绳对小车的拉力大小近似等于槽码的重力m槽码g；(4)实验数据处理的科学方法：____________；(5)由a­M车图像转化为a­1M车图像，所用的科学方法：____________。(以上各题均填“理想实验法”、“图像法”、“平衡摩擦力法”、“化曲为直法”、“控制变量法”或“近似法”)解析：(1)由于小车运动受到摩擦阻力，所以要进行平衡摩擦力，以减小实验误差，称为平衡摩擦力法；(2)在探究加速度、力与质量三者关系时，先保持其中一个量不变，来探究其他两个量之间的关系，称为控制变量法；(3)当小车质量M车≫m槽码时，细绳对小车的拉力大小近似等于槽码重力m槽码g，称为近似法；(4)通过图像研究实验的结果，称为图像法；(5)在作图时，由a­M车图像转化为a­1M车图像，使图线由曲线转化为直线，称为化曲为直法。答案：(1)平衡摩擦力法(2)控制变量法(3)近似法(4)图像法(5)化曲为直法考点二数据处理和误差分析[典例2]“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图所示。(1)下列说法正确的是________。A．每次改变小车质量时，应重新平衡摩擦力B．实验时应先释放小车后接通电源C．本实验槽码B的质量应远大于小车A的质量D．在用图像探究加速度与质量关系时，应作a­1mA图像(2)某同学在实验中，打出的一条纸带如图所示，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s1＝7.06cm、s2＝7.68cm、s3＝8.30cm、s4＝8.92cm，已知交流电的频率为50Hz，则纸带加速度的大小是______m/s2。(保留两位有效数字)(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a­F关系图像是________。[解析](1)实验前要平衡摩擦力，每次改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力，故选项A错误；实验时应先接通电源，然后再释放小车，故选项B错误；在槽码B的质量远小于小车A的质量时，小车受到的拉力近似等于槽码受到的重力，故选项C错误；应用图像法处理加速度与质量关系实验数据时，为了直观，应作a­1mA图像，故选项D正确。(2)利用逐差法可得：s4＋s3－s2－s1＝4aT2，解得a＝s4＋s3－s2－s14T2＝0.02484×0.01m/s2＝0.62m/s2。(3)将长木板右端适当垫高，其目的是平衡摩擦力；把长木板的右端垫得过高，使得倾角过大，小车所受重力平行于木板的分力大于小车受到的摩擦力，小车受到的合力大于细线的拉力，在小车不受力时，小车已经具有一定的加速度，a­F图像不过原点，在a轴上有截距，因此他绘出的a­F关系图像是选项C。[答案](1)D(2)0.62(3)平衡摩擦力C[对点训练]2．某同学设计了一个“探究加速度与力、质量的关系”的实验，如图所示，图甲为实验装置简图(交流电的频率为50Hz)。(1)图乙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(保留两位小数)。(2)保持槽码的质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m及对应的1m，数据如下表：实验次数物理量12345678小车加速度a/(m·s－2)1.901.721.491.251.000.750.500.30小车质量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.671m/kg－14.003.453.032.502.001.411.000.60请在图丙中画出a­1m图线，并依据图线求出小车加速度a与质量倒数1m之间的关系式是________。(3)保持小车质量不变，改变槽码的质量，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，请你分析其主要原因是__________________________________________________________________________。解析：(1)用逐差法计算加速度大小为a＝x4＋x3－x2－x14×2T2＝1.00m/s2。(2)根据题目提供的小车加速度a与质量m对应的倒数1m的有关数据，可在坐标系中描出8个对应点，用一条直线“连接”各点，使尽量多的点落在直线上，不在直线上的点大致均匀分布在直线的两侧，得到的a­1m图线如图所示，由图可得a＝12m。(3)由题图丁可分析，当加速度a为零时，拉力F并不为零，说明实验前没有平衡摩擦力或者未完全平衡摩擦力。答案：(1)1.00(2)见解析图a＝12m(3)实验前没有平衡摩擦力或者未完全平衡摩擦力考点三实验创新考查[典例3]在“探究加速度与力、质量的关系”实验中：(1)若采用如图甲、乙所示的实验装置与方案，通过黑板擦控制两小车的起动与停止，将测量两车的加速度转换为测量两车的位移。实验中不需要测量的物理量是______(填字母代号)。A．小车运动的时间B．小车通过的位移C．盘和盘中重物的总质量D．车和车上重物的总质量(2)在用DIS“研究小车加速度与力的关系”实验时，所用实验装置如图丙所示，重物通过细线跨过滑轮拉相同质量小车，用位移传感器测定位移，用力传感器测得拉力F，改变重物的重力重复实验多次，记录多组数据，并画出a­F图像。①该实验中，________(填“需要”或不需要)满足“小车的质量远大于重物的质量”的条件。②符合该实验方案得出的实验图像应是图丁中的______(填字母代号)。[解析](1)两小车