2019-2020学年高中物理 第三章 牛顿运动定律 第2节 探究加速度与力、质量的关系课件 教科版

第2节探究加速度与力、质量的关系01实验认知导学02实验核心解读03典例探究剖析04课后达标检测一、实验目的1．学会用控制变量法研究物理规律．2．探究加速度与力、质量的关系．3．掌握利用图像处理数据的方法．二、实验原理1．控制变量法(1)保持小车的质量M不变，研究加速度a与外力F的关系．(2)保持砝码和小盘的质量不变，即力F不变，改变小车的质量M，研究加速度a与M的关系．这种先控制某个参量不变，研究其他两个参量之间变化关系的方法叫控制变量法．2．要测量的物理量(1)小车与其上砝码的总质量M——用天平测出．(2)小车受的拉力F——用天平测出小盘和盘内砝码的总质量m，由F＝mg算出．(3)小车的加速度a——通过打点计时器打出的纸带测算出．三、实验器材打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、砝码、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺、薄木板．一、实验步骤1．用天平测出小车和小盘(包括其中砝码)的质量分别为M0和m0并把数值记录下来．2．按图所示将实验器材安装好(小车上不系绳)．3．平衡摩擦力：把木板无滑轮的一端下面垫一薄木板，反复移动其位置，使小车在不挂小盘和砝码的情况下，能沿木板做匀速直线运动(打点计时器打出的纸带上相邻点的间距相等)．4．把小车停在打点计时器处，挂上小盘和砝码，先接通电源，再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑，打出一条纸带．计算小盘和砝码的重力，即为小车所受的合力．取下纸带，在纸带上写下编号．5．保持小车的质量不变，改变小盘内砝码的个数，按步骤4再做几次实验，将实验时记录的数据填入表格1中．6．算出每条纸带对应的加速度的值并填入表格1中．表格1物体的质量一定，加速度与受力的关系实验次数加速度a/(m·s－2)小车受力F/N12347.保持小盘内砝码个数不变，在小车上增减砝码，重复上述步骤4，将实验时记录的数据填入表格2中．8．算出每条纸带对应的加速度的值并填入表格2中．表格2物体受到的外力一定，加速度与质量的关系实验次数加速度a/(m·s－2)小车质量M/kg1234二、数据处理1．探究加速度与力的关系以a为纵坐标、F为横坐标，根据表格1中的各组数据在坐标系中描点，如果这些点在一条过原点的直线上，说明a与F成正比．如图甲所示．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图像是不是双曲线，就能判断它们之间是不是反比例关系，但检查这条曲线是不是双曲线，相当困难．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图像是一条通过原点的直线，如图丙所示，说明a与1M成正比，即a与M成反比．3．实验结论物体的加速度与作用在物体上的合力成正比，与物体的质量成反比．三、误差分析1．因实验原理不完善造成误差：实验中用小盘和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和砝码的总重力)，存在系统误差；小盘和砝码的总质量越接近小车的质量，误差就越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，误差就越小．2．测量、操作不够准确造成偶然误差(1)质量的测量误差．(2)纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差．(3)拉线或纸带不与木板平行造成的误差．(4)平衡摩擦力不准造成的误差：木板与桌面倾角偏大，会使小车所受合力偏大；倾角偏小，则小车所受合力偏小．注意小车做匀速运动是恰好平衡摩擦力的标志．四、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总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．改变拉力或小车质量后，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，且应在小车到达滑轮前按住小车．4．作图像时，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．5．作图时两轴标度比例要选择适当．各量须采用国际单位，这样作图线时，坐标点间距不至于过密，误差会小些．6．为提高测量精度，可以采取下列措施：(1)应舍掉纸带上开头比较密集的点，在后边便于测量的地方找一个起点．(2)为便于测量和计算，可以把每打五次点的时间作为时间单位，即相邻计数点间的时间间隔为T＝0.1s.类型一实验原理与操作[典例1](1)我们已经知道，物体的加速度a同时跟合外力F和质量m两个因素有关，要研究这三个物理量之间的定量关系的思想方法是________．(2)某同学的实验方案如图所示，她想用沙桶的重力表示小车受到的合外力F，为了减小这种做法带来的实验误差，她先做了两方面的调整措施：a．用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是___________________________．b．使沙桶的总质量远小于小车的质量，目的是使拉小车的力近似等于________________________________________________________________________．(3)该同学利用实验中打出的纸带求加速度时，处理方案有两种：A．利用公式a＝2xt2计算；B．利用逐差法根据a＝ΔxT2计算．两种方案中，你认为选择方案________比较合理．[解析](1)要研究三个物理量之间的定量关系的思想方法是控制变量法．(2)用小木块将长木板无滑轮的一端垫高，目的是平衡摩擦力．想用沙桶的重力表示小车受到的合外力F，为了减小这种做法带来的实验误差，应使沙桶的质量远小于小车的质量，目的是使拉小车的力近似等于沙桶的重力．(3)利用实验中打出的纸带求加速度时，需要根据a＝ΔxT2利用逐差法计算，方案B比较合理．[答案](1)控制变量法(2)a.平衡摩擦力b．沙桶的总重力(3)B类型二数据处理与分析[典例2]在用图(a)所示装置做“验证牛顿第二定律”的实验中：(1)甲同学在外力F一定的条件下，探究a与M的关系时，所得到的实验结果见下表：外力F＝0.1N次数n12345质量M/g100140180200240加速度a/(m·s－2)1.000.670.530.480.40质量的倒数1M/kg－110.007.145.564.17①请你完善表中数据，并在图(b)中给出的坐标纸上画出a­1M的图像；②由图像可得到的结论是________________________________．(2)乙同学在探究加速度与外力关系的实验中得到的a­F图像如图(c)所示，则该图像中图线不过原点的原因是_____________．小车的质量为________kg(保留两位有效数字)．[解析](1)用描点法作出a­1M的图像是过原点的倾斜直线，故说明物体的加速度与质量成反比；(2)由图像(c)可看出，在拉力为0时，小车就有加速度，说明重力沿木板方向的分力比摩擦力大．根据图像的斜率表示质量的倒数可得小车质量M＝Fa≈0.28kg.[答案](1)①5.00a­1M图像如图所示②在外力一定的情况下，物体的加速度与质量成反比(2)木板倾角过大(或平衡摩擦力过度)0.28(0.26～0.29均正确)类型三创新实验设计[典例1]某实验小组利用如图甲所示的实验装置来探究当合外力一定时，物体运动的加速度与其质量之间的关系．(1)由图中刻度尺读出两个光电门中心之间的距离x＝24cm，由图乙中游标卡尺测得遮光条的宽度d＝________cm.该实验小组在做实验时，将滑块从图甲所示位置由静止释放，由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间Δt1，遮光条通过光电门2的时间Δt2，则滑块经过光电门1时的瞬时速度的表达式v1＝________，滑块经过光电门2时的瞬时速度的表达式v2＝________，则滑块的加速度的表达式a＝________.(以上表达式均用字母表示)(2)在本次实验中，实验小组通过改变滑块质量总共做了6组实验，得到如表所示的实验数据．通过分析表中数据后，你得出的结论是________.m(g)250300350400500800a(m/s2)2.021.651.331.251.000.63(3)现需通过图像进一步验证你的结论，请利用表格数据，在图丙坐标系中描点作出相应图像．[解析](1)v1＝dΔt1，v2＝dΔt2，根据v22－v21＝2ax得a＝dΔt22－dΔt122x.(2)通过计算六组实验数据的m与a的乘积会发现，这些乘积在误差允许的范围内相等，故实验结论是在合外力一定的情况下，滑块的加速度与质量成反比．(3)根据题中表格换算出1m的值如下表.m(g)250300350400500800a(m/s2)2.021.651.331.251.000.63m－1(kg－1)4.003.332.862.502.001.25由表中a、m－1的数据在坐标系中选择合适的标度，进行描点、连接，连线时使尽可能多的点在直线上或分布在直线的两侧，同时舍弃误差较大的点．[答案](1)0.53dΔt1dΔt2dΔt22－dΔt122x(2)在合外力一定的情况下，滑块的加速度与质量成反比(3)如图所示