3.2探究加速度与力质量的关系(教学课件)-高中物理教科版必修1.ppt
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- 3.2 探究 加速度 质量 关系 教学 课件 高中物理 教科版 必修 下载 _各科综合_小学
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1、探究加速度与力、质量的关系 实验必备实验必备 自主学习自主学习一、实验目的一、实验目的1.1.探究加速度与力、质量的关系。探究加速度与力、质量的关系。2.2.学会学会用用_探究物理规律。探究物理规律。二、实验器材二、实验器材带定滑轮的木板、薄垫块、小车、细绳、天平、槽码、带定滑轮的木板、薄垫块、小车、细绳、天平、槽码、_、纸带、纸带、_、刻度尺。、刻度尺。控制变量法控制变量法打点计时器打点计时器交变电流交变电流【思考思考讨论讨论】薄垫块有什么用处薄垫块有什么用处? ?提示提示: :用来平衡摩擦力。用来平衡摩擦力。三、实验原理与设计三、实验原理与设计1.1.实验的基本思想实验的基本思想控制变量法
2、。控制变量法。(1)(1)变量的控制要求变量的控制要求: :在物理实验中在物理实验中, ,要注意控制实验过程中的不同变量。要注意控制实验过程中的不同变量。(2)(2)设计思路设计思路: :若讨论加速度与受力的若讨论加速度与受力的关系关系, ,应控制应控制_不变。不变。若讨论加速度与物体质量的关系若讨论加速度与物体质量的关系, ,应控制应控制_不变不变。(3)(3)实验思想的拓展实验思想的拓展: :这种控制一些物理量不变这种控制一些物理量不变, ,先分别研究待测量与其中一个物理量的关系先分别研究待测量与其中一个物理量的关系, ,再综合再综合解决问题的控制变量法解决问题的控制变量法, ,被广泛应用
3、于科学研究中。被广泛应用于科学研究中。质量质量受力受力2.2.实验原理实验原理: :(1)(1)保持小车质量保持小车质量m m不变不变: :通过通过_的方式改变作用于小车的力的方式改变作用于小车的力F,F,测出小车相应的加速度测出小车相应的加速度a,a,则可得则可得a a与与F F的关系。的关系。(2)(2)保持拉力保持拉力F F不变不变: :通过通过_的方式的方式改变小车的质量改变小车的质量m,m,测出相应的加速度测出相应的加速度a,a,则可得则可得a a与与m m的关系。的关系。增减槽码增减槽码在小车上增减砝码在小车上增减砝码【思考思考讨论讨论】控制变量法是物理学中非常常用的实验方法控制变
4、量法是物理学中非常常用的实验方法, ,回忆一下初中物理实验中有哪些回忆一下初中物理实验中有哪些实验使用了控制变量法实验使用了控制变量法? ?举出一例即可。举出一例即可。提示提示: :探究影响滑动摩擦力大小的因素探究影响滑动摩擦力大小的因素; ;探究电流与电压、电阻的关系等。探究电流与电压、电阻的关系等。3.3.实验设计实验设计三个物理量的测量方法。三个物理量的测量方法。(1)(1)拉力的测量拉力的测量: :平衡小车所受阻力。平衡小车所受阻力。a.a.将木板一端垫高将木板一端垫高; ;b.b.使小车不挂重物时使小车不挂重物时能能_;_;c.c.这种情况下这种情况下, ,小车重力沿斜面的分力恰好抵
5、消其所受摩擦力及其他阻力。小车重力沿斜面的分力恰好抵消其所受摩擦力及其他阻力。使小车所受拉力等于槽码的重力。使小车所受拉力等于槽码的重力。只有所挂槽码的质量远小于小车的质量时只有所挂槽码的质量远小于小车的质量时, ,才可以近似认为槽码的重力等于对才可以近似认为槽码的重力等于对小车的拉力小车的拉力, ,即即FmgFmg。匀速运动匀速运动(2)(2)研究对象质量的测量研究对象质量的测量: :利用天平利用天平测出测出_。为了改变小车质量为了改变小车质量, ,可在小车中可在小车中_。(3)(3)加速度的测量加速度的测量: :原理原理: :放在长木板上的小车在拉力的作用下做匀加速直线运动放在长木板上的小
6、车在拉力的作用下做匀加速直线运动, ,即即x=_x=_。应用刻度尺测量应用刻度尺测量_。利用利用_法计算对应法计算对应的加速度大小。的加速度大小。小车的质量小车的质量增减砝码增减砝码aTaT2 2计数点之间的距离计数点之间的距离逐差逐差 实验过程实验过程 探究学习探究学习【实验步骤实验步骤】 1.1.安装实验器材安装实验器材: :将小车置于带有定滑轮的木板上将小车置于带有定滑轮的木板上, ,将纸带穿过打点计时器后挂在小车尾部。将纸带穿过打点计时器后挂在小车尾部。2.2.平衡摩擦力平衡摩擦力: :用薄垫块将木板一端垫高用薄垫块将木板一端垫高, ,调整其倾斜程度调整其倾斜程度, ,直到小车运动时打
7、点计时器在纸带直到小车运动时打点计时器在纸带上打出的点分布均匀为止。上打出的点分布均匀为止。3.3.悬挂槽码悬挂槽码: :在细线一端挂上槽码在细线一端挂上槽码, ,另一端通过定滑轮系在小车前端。另一端通过定滑轮系在小车前端。4.4.收集纸带数据收集纸带数据: :将小车靠近打点计时器后开启打点计时器将小车靠近打点计时器后开启打点计时器, ,并让小车由静止释放。打点计时器并让小车由静止释放。打点计时器在纸带上打出一系列点在纸带上打出一系列点, ,据此计算出小车的加速度。据此计算出小车的加速度。5.5.改变小车受力改变小车受力: :(1)(1)保持小车的质量不变保持小车的质量不变, ,通过增加槽码的
8、数量通过增加槽码的数量, ,增加槽码的总质量增加槽码的总质量( (总质量仍远总质量仍远小于小车质量小于小车质量) )。(2)(2)重复步骤重复步骤4,4,多做几次实验多做几次实验, ,并记录好相应纸带的编号及所挂槽码的总重力并记录好相应纸带的编号及所挂槽码的总重力m m2 2g g、m m3 3gg6.6.改变小车质量改变小车质量: :(1)(1)保持槽码保持槽码( (小车所受的拉力小车所受的拉力) )不变不变, ,通过增加或减少小车上的砝码的方式通过增加或减少小车上的砝码的方式, ,改改变小车的质量变小车的质量, ,接通电源后放开小车接通电源后放开小车, ,用纸带记录小车的运动情况。取下纸带
9、用纸带记录小车的运动情况。取下纸带, ,并在纸带上标上号码及小车和砝码的总质量并在纸带上标上号码及小车和砝码的总质量M M1 1。(2)(2)继续在小车上增加砝码继续在小车上增加砝码, ,重复步骤重复步骤6(1),6(1),多做几次实验多做几次实验, ,在每次实验得到的纸在每次实验得到的纸带上标上号码及小车和砝码的总质量带上标上号码及小车和砝码的总质量M M2 2、M M3 37.7.求加速度求加速度: :用公式用公式a=a= , ,求得小车的加速度求得小车的加速度a,a,将得到的数据填入相应表格中将得到的数据填入相应表格中, ,以便进行以便进行数据处理。数据处理。2xT【思考思考讨论讨论】(
10、1)(1)实验过程中哪些操作是为了保证小车所受合外力等于槽码的重力实验过程中哪些操作是为了保证小车所受合外力等于槽码的重力? ?提示提示: :平衡摩擦力平衡摩擦力; ;使细线与长木板平行使细线与长木板平行; ;槽码的质量远小于小车的质量。槽码的质量远小于小车的质量。(2)(2)如何证明平衡摩擦力已经完成如何证明平衡摩擦力已经完成? ?提示提示: :在不挂重物时轻推小车在不挂重物时轻推小车, ,小车运动时打点计时器在纸带上打出的点分布均小车运动时打点计时器在纸带上打出的点分布均匀匀, ,则说明摩擦力已经与重力的分力平衡。则说明摩擦力已经与重力的分力平衡。 【数据收集与分析数据收集与分析】 1.1
11、.列列F F、a a数据收集表数据收集表: :把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中: :实验序号实验序号1 12 23 34 45 5F/NF/Na/ma/ms s-2-22.2.作作a-Fa-F图像的方法图像的方法: :以以a a为纵坐标、为纵坐标、F F为横坐标为横坐标, ,根据数据作根据数据作a-Fa-F图像图像, ,用曲线拟合测量点用曲线拟合测量点, ,找出规律找出规律, ,分析分析a a与与F F的关系。的关系。3.3.列列M M、a a收集表格收集表格: :把不同质量的小车把不同质量的小车( (小车和砝码小车和砝码) )在相同力的作用下产
12、生的加速度填在表中在相同力的作用下产生的加速度填在表中: :物理量物理量1 12 23 34 45 5M/kgM/kg /kg/kg-1-1a/ma/ms s-2-21M4.4.作作a-a- 图像的方法图像的方法: :分别以分别以a a为纵坐标、为纵坐标、M M和和 为横坐标为横坐标, ,根据数据作根据数据作a-Ma-M图像和图像和a-a- 图像图像, ,分析分析a a与与M M的关系。的关系。 1M1M1M5.5.实验结论实验结论: :(1)(1)对同一物体对同一物体, ,当当M M不变时不变时, ,物体的加速度物体的加速度a a与所受力与所受力F F成正比。成正比。(2)(2)对不同物体对
13、不同物体, ,当当F F不变时不变时, ,物体的加速度物体的加速度a a与质量与质量M M成反比。成反比。【思考思考讨论讨论】为什么在研究加速度与质量的关系时为什么在研究加速度与质量的关系时, ,不作不作a-Ma-M图像图像, ,而是作而是作a-a- 图像图像? ?提示提示: :作作a-Ma-M关系图像关系图像, ,得到的是曲线得到的是曲线, ,很难确定两者的关系很难确定两者的关系; ;改作改作a- a- 关系关系图像可得到一条过原点的倾斜直线图像可得到一条过原点的倾斜直线, ,两者关系明确。两者关系明确。1M1M 【误差分析误差分析】 1.1.图像不过原点图像不过原点: :实验中作出的实验中
14、作出的a-Fa-F图像有时不过原点图像有时不过原点, ,如图所示。如图所示。造成这种现象的主要原因是平衡摩擦力不够造成这种现象的主要原因是平衡摩擦力不够( (或过度或过度) )。图甲的情况说明还没有。图甲的情况说明还没有挂槽码便已经出现了加速度挂槽码便已经出现了加速度, ,原因是平衡摩擦力过度原因是平衡摩擦力过度, ,长木板倾角过大长木板倾角过大; ;图乙的图乙的情况说明拉力比较小时物体没有运动情况说明拉力比较小时物体没有运动, ,原因是没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不原因是没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不足。足。2.2.图像弯曲图像弯曲: :实验中作出的实验中作出的a-Fa-F图像有时不是直线图像有
15、时不是直线, ,如图所示。如图所示。造成这种现象的原因是未满足槽码的质量远小造成这种现象的原因是未满足槽码的质量远小于小车的质量于小车的质量(m(mM)M)。实验中用槽码的重力代。实验中用槽码的重力代替小车受到的拉力替小车受到的拉力, ,然而实际上由于槽码也要加然而实际上由于槽码也要加速运动速运动, ,所以绳上的拉力要小于槽码的重力。槽码质量越大所以绳上的拉力要小于槽码的重力。槽码质量越大, ,则加速越快则加速越快, ,拉力拉力与重力的差值也越大与重力的差值也越大, ,实验误差越明显实验误差越明显, ,并逐渐出现图像弯曲现象。并逐渐出现图像弯曲现象。3.3.偶然误差偶然误差: :(1)(1)质
16、量的测量误差。质量的测量误差。(2)(2)纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差。纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差。(3)(3)拉线或纸带不与木板平行会造成误差。拉线或纸带不与木板平行会造成误差。(4)(4)作图不准确造成误差。作图不准确造成误差。 实验研析实验研析 创新学习创新学习类型一教材原型实验类型一教材原型实验角度角度1 1 实验原理和实验操作实验原理和实验操作【典例典例1 1】某同学用如图甲所示的装置进行某同学用如图甲所示的装置进行“探究加速度与质量的关系探究加速度与质量的关系”实验实验: :(1)(1)下列说法中正确的是下列说法中正确的是( () )A.A.实验时实验时, ,
17、先接通打点计时器的电源先接通打点计时器的电源, ,再放开小车再放开小车B.B.平衡摩擦力时应将沙桶用细线通过定滑轮系在小车上平衡摩擦力时应将沙桶用细线通过定滑轮系在小车上C.C.改变小车质量再次进行实验时改变小车质量再次进行实验时, ,需要重新平衡摩擦力需要重新平衡摩擦力D.D.小车运动的加速度可由牛顿第二定律直接求出小车运动的加速度可由牛顿第二定律直接求出(2)(2)通过在小车里增减砝码改变质量通过在小车里增减砝码改变质量, ,某同学实验得到如图乙所示的实验图线某同学实验得到如图乙所示的实验图线, ,其中横坐标其中横坐标m m表示小车里砝码的质量表示小车里砝码的质量, ,设图线的斜率为设图线
18、的斜率为k,k,在纵轴上的截距为在纵轴上的截距为b,b,若若沙和沙桶总质量远小于小车质量且牛顿运动定律成立沙和沙桶总质量远小于小车质量且牛顿运动定律成立, ,则沙和沙桶的重力为则沙和沙桶的重力为_,_,小车的质量为小车的质量为_。【解析解析】(1)(1)使用打点计时器时均应先接通电源使用打点计时器时均应先接通电源, ,待打点稳定后再放开小车待打点稳定后再放开小车,A,A对对; ;平衡摩擦力时应去掉细线和沙桶平衡摩擦力时应去掉细线和沙桶, ,轻推小车使小车能匀速运动即可轻推小车使小车能匀速运动即可,B,B错错; ;实验过实验过程中程中, ,只需平衡一次摩擦力只需平衡一次摩擦力, ,改变小车质量再
19、次进行实验时改变小车质量再次进行实验时, ,不需要重新平衡摩不需要重新平衡摩擦力擦力,C,C错错; ;在本实验中在本实验中, ,小车运动的加速度只能由纸带数据求得小车运动的加速度只能由纸带数据求得,D,D错。错。(2)(2)令小车质量为令小车质量为M,M,受到的合外力为受到的合外力为F,F,由牛顿第二定律知由牛顿第二定律知F=(m+M)a,F=(m+M)a,即有即有 , ,所以所以 -m-m图线的斜率图线的斜率k= ,k= ,即沙和沙桶的重力提供的合外即沙和沙桶的重力提供的合外力力F= ,F= ,纵轴截距纵轴截距b= =kM,b= =kM,即即M= M= 。答案答案: :(1)A(1)A(2)
20、 (2) 1mMaFF1a1k1FMFbk1kbk角度角度2 2 实验数据的处理和实验数据的处理和误差分析误差分析【典例典例2 2】“探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图甲所示。的实验装置如图甲所示。(1)(1)当小车当小车( (包括车中砝码包括车中砝码) )的质量的质量M M与砝码及砝码盘的质量与砝码及砝码盘的质量m m的大小关系满足的大小关系满足_时时, ,才可以认为绳对小车的拉力大小近似等于砝码盘及砝码盘中砝码才可以认为绳对小车的拉力大小近似等于砝码盘及砝码盘中砝码的重力。的重力。(2)(2)在平衡小车与长木板之间摩擦力的过程中在平衡小车与长木板之间摩擦力
21、的过程中, ,打出了一条纸带如图乙所示。打打出了一条纸带如图乙所示。打点计时器打点的时间间隔为点计时器打点的时间间隔为0.02 s0.02 s。从比较清晰的点起。从比较清晰的点起, ,每每5 5个点取一个计数点个点取一个计数点, ,量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度大小量出相邻计数点之间的距离。该小车的加速度大小a=_m/sa=_m/s2 2。( (结果保留结果保留两位有效数字两位有效数字)(3)(3)如图丙是甲、乙两同学根据实验数据画出的图像。如图丙是甲、乙两同学根据实验数据画出的图像。两同学的图像都不过原点两同学的图像都不过原点, ,试分析可能的原因试分析可能的原因甲甲:_;:_;乙
22、乙:_:_。【解析解析】(1)(1)探究加速度与力、质量的关系的实验中探究加速度与力、质量的关系的实验中, ,要保证要保证m mM,M,才能保证绳才能保证绳子的拉力近似等于砝码盘及砝码盘中砝码的重力。子的拉力近似等于砝码盘及砝码盘中砝码的重力。(2)(2)计数点时间间隔计数点时间间隔T=0.1 s,T=0.1 s,间距间距x x1 1=3.52 cm,x=3.52 cm,x2 2=3.68 cm,x=3.68 cm,x3 3=3.83 cm=3.83 cm。因因x x2 2-x-x1 1=a=a1 1T T2 2,x,x3 3-x-x2 2=a=a2 2T T2 2,a= ,a= ,得得a=
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