2019-2020学年高中物理 第5章 研究力和运动的关系 2 探究加速度与力、质量的关系课件 沪科

5．2探究加速度与力、质量的关系第5章研究力和运动的关系第5章研究力和运动的关系1.理解物体的加速度大小与力有关，也与质量有关．2.通过实验探究加速度与力和质量的定量关系，培养动手操作能力．(重点)3.会根据原理去设计实验，处理实验数据，得出结论．一、实验目的1．学会用控制变量法研究物理规律和灵活运用图像处理物理问题．2．探究加速度与力、质量的关系．二、实验器材附有定滑轮的长木板；薄木块；小车；细线；小桶及砂；打点计时器；低压交流电源；导线；天平(带一套砝码)；砝码；毫米刻度尺；纸带及复写纸等．三、实验原理1．提出问题根据事实经验，对质量一定的物体，受力越大，其加速度越大，说明物体的加速度与受力有关，而物体受力一定时，质量越小，加速度就越大，说明加速度与质量有关．2．实验猜想①质量一定时，加速度与外力的关系可能为a∝F，a∝F2…等情况②外力一定时，加速度与质量的关系可能为a∝1m，a∝1m2…等情况四、实验方法1．保持研究对象即小车的质量不变，改变砂桶内砂的质量，即改变牵引力，测出小车的对应加速度，用图像法验证加速度是否正比于作用力．2．保持砂桶内砂的质量不变，往小车内加砝码，即改变研究对象的质量，测出小车的对应加速度，用图像法验证加速度是否反比于质量．五、实验步骤1．用天平测出小车和小桶的质量M和m，并把数值记录下来．2．按图安装实验器材，只是不把悬挂小桶用的细绳系在车上，即不给小车加牵引力．3．平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫薄木块并反复移动其位置，直到打点计时器正常工作后，小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态为止．4．把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打出一系列的点，取下纸带，在纸带上标出编号．5．保持小车的质量不变，改变砂的质量，即改变对小车的牵引力，按上面的做法，再做几次实验，在实验中一定要使砂和小桶的质量远小于小车和砝码的质量和．6．在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，标明计数点，测量计数点间的距离，算出每条纸带上加速度的值．7．把各次实验中的数据填入表1内，作用力大小等于小桶和砂受的重力mg.用纵坐标表示加速度a，横坐标表示作用力F，根据实验数据在坐标平面上描出相应的点，作出a－F图像．表1实验次数123456小桶及砂总质量m/kg小车所受拉力F/N小车加速度a/(m·s－2)8.保持砂和小桶的质量不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验．把各次实验的数据填入表2内，用纵坐标表示加速度a、横坐标表示质量的倒数1M，在坐标平面上根据实验结果描出相应的点，作出a－1M图像．表2实验次数123456小车及砝码总质量M/kg小车加速度a/(m·s－2)实验数据处理及误差分析1．加速度的计算：需要计算各种情况下所对应的小车的加速度时，使用“研究匀变速直线运动”的方法，先在纸带上标明计数点，测量各计数点间的距离，根据公式a＝ΔsT2计算加速度．2．分析加速度和力的关系：依据前面实验步骤表格1，以加速度a为纵坐标，以外力F为横坐标，作出a－F关系图像，如图所示，由此得出结论．3．分析加速度和质量的关系：依据前面实验步骤表格2，以加速度a为纵坐标，以小车及砝码的总质量M的倒数1M为横坐标作出a－1M关系图像，如图所示，据图像可以得出结论．某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m关系的实验，如图甲为实验装置简图(交变电流的频率为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(结果保留两位有效数字)．(2)保持砂和砂桶的总质量不变，改变小车的质量m，分别得到小车的加速度a与质量m及对应的1m数据如下表：实验次数物理量12345678小车的加速度a/(m·s－2)1.901.721.491.251.000.750.500.30小车的质量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.671m/kg－14.003.453.032.502.001.411.000.60请画出a－1m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__________．丙丁(3)保持小车质量不变，改变砂和砂桶质量，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__________________________________________________________________________________________________________.[思路点拨]解答本题时可按以下思路进行分析：[解析](1)用逐差法计算加速度．由纸带上的数据可知：s1＝6.19cm，s2＝6.70cm，s3＝7.21cm，s4＝7.72cm.电火花计时器的打点周期为T＝0.02s，故加速度a＝s4＋s3－s2－s14×（2T）2≈3.2m/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a－1m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)3.2(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实验中作出的a－F图像有时不过原点，如图所示，造成这种现象的主要原因是：实验中没有考虑所挂重物的托盘的质量，误将重物的重力等于拉力F，或是平衡摩擦力时垫得太高了，会出现图像甲的情况；实验中没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不充分，会出现图像乙的情况．1.某同学用如图甲所示的实验装置来“探究a与F、m之间的定量关系”．(1)实验时，必须先平衡小车与木板之间的摩擦力．该同学是这样操作的：如图乙，将小车静止地放在水平长木板上，并连着已穿过打点计时器的纸带，调整木板右端的高度，接通电源，用手轻拨小车，让打点计时器在纸带上打出一系列__________的点，说明小车在做____________运动．(2)如果该同学先平衡了摩擦力，以砂和砂桶的重力为F，在小车质量M保持不变情况下，不断往桶里加砂，砂的质量最终达到13M，测小车加速度a，作a－F的图像，则图中图线正确的是__________．(3)设纸带上计数点的间距为s1和s2.如图丙为用毫米刻度尺测量某一纸带上的s1、s2的情况，从图中可读出s1＝3.10cm，s2＝__________cm，已知打点计时器的频率为50Hz，由此求得加速度的大小a＝__________m/s2.解析：(1)平衡摩擦力时，应将绳从小车上拿去，不要挂砂桶，将长木板的右端垫高至合适位置，使小车重力沿斜面分力和摩擦力抵消，若小车做匀速直线运动，此时打点计时器在纸带上打出一系列点迹均匀的点．(2)如果这位同学已经平衡摩擦力，则刚开始a－F的图像是一条过原点的直线，不断往桶里加砂，砂的质量最终达到13M，不能满足砂和砂桶的质量远远小于小车的质量，此时图像发生弯曲，故C正确．(3)根据图丙可知，s2＝5.50cm，打点计时器的频率为50Hz，每5个点取一个计数点，则T＝0.1s，加速度的大小a＝ΔxT2＝（5.50－3.10）×10－20.12m/s2＝2.40m/s2.答案：(1)点迹均匀匀速(2)C(3)5.502.40实验注意事项1．注意事项(1)使砂和小桶的总质量远小于小车和砝码的总质量．(2)平衡摩擦力时不要挂小桶，应连着纸带，且接通电源．判断小车是否做匀速直线运动可以直接观察，也可以用打点计时器打出的纸带判定(各点间间距相等)．(3)小车应紧靠打点计时器，先接通电源后再放手．(4)在作a－F和a－1M图像时，应使所描的点均匀分布在直线两侧．2．误差分析(1)打点计时器工作时，振针对纸带的摩擦力是周期性变化的，所以难以做到Mgsinθ与f平衡，并且小车在砂桶的作用下也不是严格的匀加速运动．(2)砂桶与小车形成连接体，严格讲，拉力Fmg，实验中认为F＝mg就造成系统误差，使m≪M可以减小这种误差，但不能消除．(3)因操作不够准确或读数造成偶然误差：①质量的测量误差．②测量纸带上各点间的距离的误差．③绳或纸带与木板不平行造成的误差．④平衡摩擦力不够(或过度)造成的误差，该误差使作出的图像在横轴(或纵轴)上产生截距．为了探究加速度与力、质量的关系，现提供如图所示的实验装置．请思考探究思路并回答下列问题：(1)为了消除小车与水平木板之间摩擦力的影响应采取的做法是________．A．将不带滑轮的木板一端适当垫高，使小车在钩码拉动下恰好做匀速运动B．将不带滑轮的木板一端适当垫高，使小车在钩码拉动下恰好做匀加速运动C．将不带滑轮的木板一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀速运动D．将不带滑轮的木板一端适当垫高，在不挂钩码的情况下使小车恰好做匀加速运动(2)消除小车与水平木板之间摩擦力的影响后，可用钩码总重力代替小车所受的拉力，此时钩码质量m与小车总质量M之间应满足的关系为________．[解析](1)平衡摩擦力时，不应将钩码挂上，把不带滑轮的木板一端适当垫高，当小车在木板上恰好做匀速运动时，表明已平衡摩擦力．(2)实验中钩码质量m远小于小车总质量M.[答案](1)C(2)m≪M2.如图所示是某同学做探究加速度与力、质量的关系实验时，已接通电源正要释放纸带时的情况．(1)请你指出该同学的五个差错：①电源________________________________________；②打点计时器位置_______________________________；③滑轮位置______________________________________；④小车位置______________________________________；⑤长木板________________________________________.(2)在该实验中，某同学作出了如图所示的甲、乙两图像，图甲中三线表示实验中________不同；图乙中图线不过原点的原因是_______________________________________________.解析：(1)该实验中为使打点计时器正常工作电源应为交流电源，为了减小实验误差，细绳上拉力应与长木板平行，打点计时器固定在长木板上远离滑轮的一端，小车靠近打点计时器，以便纸带上打下更多的点．(2)在a－F图像上，斜率表示质量的倒数，斜率不同，表明质量不同；纵轴截距表示力F＝0时的加速度数值．F＝0时，a≠0表明平衡摩擦力时倾角过大．答案：(1)①应接6V的交流电源②应靠后(或应靠右端)③应使连接小车一端的细线水平④应靠近打点计时器⑤应垫高右端平衡摩擦力(2)质量平衡摩擦力过度