第02讲 探究加速度与力、质量的关系（同步课件）-【上好课】2024-2025学年高一物理同步精品课堂（人教版2019必修第一册）

第四章 运动和力的关系 4.2 探究加速度与力、质量的关系 人教版(2019)必修 第一册 Directory 目录 物理量的测量 01 新课引入 03 02 实验思路 进行实验与数据分析 04 实验结论与误差分析 05 课堂练习 06 conclusion 新课引入 01 思考与讨论 (1)由牛顿第一定律的学习，什么是改变物体运动状态的原因？ (2)由牛顿第一定律的学习，质量的大小对物体状态的改变是否有影响？ (3)我们知道描述物体状态改变的物理量是速度，那么速度变化的快慢我们通常用哪个物理量来描述？ (4)加速度与力、质量之间存在怎样的定量关系呢？ conclusion 实验思路 02 思考与讨论 （1）当我们要探究某个物理量与另外两个或多个物理量之间的定量关系时，我们在探究过程中通常需要如何来做比较合理？ （2）我们在探究加速度与力、质量的关系时，我们应当如何应用控制变量法来进行实验？ （3）根据以上讨论，你认为实验过程中我们需要测量哪些物理量呢？ 思考与讨论 （4）为最终实现对加速度与力、质量关系的探究，你是否可以用以下实验器材设计一个或几个方案完成这一任务呢？ 实验装置 将小车置于水平木板上，通过滑轮与槽码相连。小车可以在槽码的牵引运动。 conclusion 物理量的测量 03 一、物理量的测量 1.质量的测量：用天平测量 2.加速度的测量： 方法一：如果物体做初速度为零的匀加速直线运动，则可利用刻度尺测量位移和秒表测量时间，然后由公式 a=(2x)/t2可算出。 方法二：利用打点计时器进行实验，根据纸带上打出的点可测量加速度。 方法三：利用比值法。由于a=(2x)/t2测出两个初速度为零的匀加速运动在相同时间内发生的位移x1，x2，位移之比就是加速度之比 思考与讨论 (1)在此实验中，通过测力计用手直接给小车施加一个恒力是否可行？ F (2)若不能用测力计直接给小车施加一个恒力，你认为哪种方法更合适？ (3)此种方法中，对于小车来说，受到几个力的作用？如何消除沿板方向摩擦力的影响呢？ 一、物理量的测量 3.力的测量 (1)平衡摩擦力：把轨道的一端垫高，使重力的分力Gsinθ与摩擦力Ff平衡。 Gcosθ Gsinθ G θ θ FN Ff (2)具体操作：先不加细线，轨道无定滑轮一端垫高，使小车连同纸带下滑，若纸带上打出点间隔相等，则为匀速下滑，从而消除摩擦力的影响。 一、物理量的测量 3.力的测量 (3)注意事项： ①多次测量，摩擦力只需要平衡一次摩擦； ②在槽码的质量远小于小车质量时，绳的拉力大小等于槽码重力大小。（学习了第三节后解释） 二、实验方案 1.方案一：用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 实验装置如图 4.2-2 所示。把木板的一侧垫高，调节木板的倾斜度，使小车在不受牵引时能拖动纸带沿木板匀速运动。通过改变槽码的个数而改变小车所受的拉力，通过处理打点计时器打下点的纸带来测量加速度。保持小车受的拉力不变，通过增减小车中的重物改变小车的质量。处理纸带上打出的点来测量加速度。 二、实验方案 2.方案二：通过位移之比测量加速度之比 将两辆相同的小车放在水平木板上，前端各系一条细线，线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘中可以放不同的重物。平衡摩擦后，用黑板擦把两条细线同时按压在木板上。抬起黑板擦，两小车同时开始运动，按下黑板擦，两小车同时停下来。用刻度尺测出两小车移动的位移x1、x2。由于两小车运动时间t相同，从它们的位移之比就可以得出加速度之比。在盘中重物相同的情况下，通过增减小车中的重物改变小车的质量。 conclusion 进行实验与数据分析 04 一、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (1)用天平测出小车的质量为M0，并把数值记录下来。 (2)平衡摩擦力后，按图将实验器材安装好。 一、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (3)将槽码通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，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此时所挂槽码的重力m0g。 (4)保持小车的质量不变，改变所挂槽码的重力，重复步骤(3)，多做几次实验，每次小车从同一位置释放，并记录好槽码的重力m1g、m2g、…以及计算出相应纸带的加速度填入表格1。 一、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 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/N 1     2     3     4     …     一、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (5)保持槽码的质量不变，在小车上加放砝码，并测出小车与所放砝码的总质量M，接通电源，放开小车，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。 (6)继续在小车上加放砝码，重复步骤(5)，多做几次实验，在每次得到的纸带上标上号码。 (7)计算出每次实验所得纸带的加速度值及小车与砝码的总质量填入表格2。 一、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 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) 小车与砝码总质量 M/kg 小车与砝码总质量的倒数/kg-1 1 2 3 4 … 一、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 2.数据分析： (1)a－F图像 一、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 2.数据分析： (2)a－1/M图像 一、用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 二、通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (1)用天平测出小车和托盘的质量，并把数值记录下来。 (2)平衡摩擦力后，按图将实验器材安装好。 二、通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (3)保持两小车的质量相同且不变，改变两个所挂托盘中砝码的数量，多做几次实验，记录好两个托盘和砝码的重力作为两小车的拉力F，以及用刻度尺测量出每次两个小车发生的位移x，填入表格3。 二、通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 表格3(物体的质量一定，加速度与受力的关系) 次数 小车 拉力F/N F1/F2 位移x/m x1/x2 1 甲 乙 2 甲 乙 3 甲 乙 4 甲 乙 二、通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (4)保持两小车所挂两个托盘和其中砝码的质量相同且保持不变，改变两小车中砝码质量，多做几次实验，记录小车和所加砝码的质量M，以及用刻度尺测量出每次两个小车发生的位移x，填入表格4。 二、通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 表格4(物体受到的外力一定，加速度与质量的关系) 次数 小车 质量M/kg M1/M2 位移x/m x1/x2 1 甲 乙 2 甲 乙 3 甲 乙 4 甲 乙 二、通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 2.数据分析： (1)x1/x2-F1/F2图像 二、通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 2.数据分析： (2)x1/x2-M2/M1图像 二、通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 conclusion 实验结论与误差分析 05 一、实验结论 1.保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受合外力F成正比。 2.在力F不变时，物体的加速度a与质量M成反比。 （注意：这里的力指的是物体所受的合外力） 二、误差分析 1.在实验中，我们认为槽码的重力就等于小车所受的合力。但这是有误差的，只有在小车质量比较大，槽码质量比较小且长木板合理倾斜的情况下，实验结果才比较理想。 2.质量测量、长度测量中也存在偶然误差，可通过多次测量取平均值的方法来减小误差。 3.阻力补偿不准而造成误差。 4.描点作图时存在误差。 conclusion 课堂练习 06 1．控制变量法是科学探究的方法之一。在利用打点计时器“探究加速度与力、质量的关系”的实验中用到了此方法，该实验装置如图所示，槽码质量远小于小车质量，下列实验操作正确的是（　　） A．实验时，先放开小车，再接通打点计时器的电源 B．实验前无需平衡小车所受的摩擦力 C．探究加速度与质量的关系时，仅改变槽码的质量 D．探究加速度与小车所受拉力关系时，仅改变槽码的质量 D 【答案】D 【详解】A．为打点稳定，实验时，先接通打点计时器的电源，再放开小车，故A错误； B．为使绳子的拉力等于小车的合外力，实验前需平衡小车所受的摩擦力，故B错误； C．探究加速度与质量的关系时，仅改变小车的质量，故C错误； D．实验通过改变槽码的个数来改变小车所受合外力，则探究加速度与小车所受拉力关系时，仅改变槽码的质量，故D正确。 故选D。 2．“探究加速度与力、质量的关系”实验装置如图所示。在实验中，测得小车连同车上砝码的总质量，从下列物体中选取合适的物体取代实验装置中的槽码，应选图中的（　　） D 【答案】D 【详解】由题知小车连同车上砝码的总质量 当槽码的质量远小于小车质量使可以近似认为小车受到的拉力等于槽码的重力，故由图所示可知，物体D可以用来取代实验装置中的槽码。 故选D。 3．如图所示，在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，若1、2两个相同的小车所受拉力分别为，车中所放砝码的质量分别为，打开夹子后经过相同的时间两车的位移分别为，则在实验误差允许的范围内，有（　　） A．当、时， B．当、时， C．当时， D．当、时， A 【答案】A 【详解】AB.当两车加砝码后质量仍相等，若则由得故A正确，B错误。 CD.由于小车质量未知，若无法确定两车加砝码后的质量关系，两小车的加速度关系也就不明确，自然无法判定两车的位移关系，故CD错误。故选A。 4．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，某研究小组利用如图1所示实验装置，在满足所挂钩码质量远小于小车质量的前提下，进行实验数据测量、计算和分析。根据测量数据，作出小车的加速度随细线拉力变化的图线，如图2所示。你认为在实验过程中可能存在的问题是（    ） A．先释放小车，后接通电源 B．补偿阻力时木板右端垫得不够高 C．先接通电源，后释放小车 D．电源电压过高造成小车加速度测量值偏大 B 【答案】B 【详解】根据图2可知，当拉力达到一定数值时，小车才有加速度，说明没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足，则在实验过程中可能存在的问题是补偿阻力时木板右端垫得不够高。 故选B。 5．某实验小组用如图甲所示实验装置做探究小车的加速度与合外力的关系实验。实验中用力传感器测量细线对小车的拉力。 (1)本实验中， （填“需要”或“不需要”）满足砂和砂桶的质量远小于小车质量。 (2)要保证小车受到的合外力等于细线对小车的牵引力，需要________（填正确答案标号）。 A．补偿阻力 B．调整定滑轮的高度使牵引小车的细线与长木板平行 C．开始时小车的位置靠近打点计时器 D．先接通电源，后释放小车 (3)某次实验得到的纸带如图乙所示，已知所用电源的频率为50Hz，相邻2个计数点之间还有4个计时点没有标出，可求出小车的加速度大小为 。（计算结果保留2位有效数字） (4)利用实验数据作出了如图丙所示的图像，请分析图像不过原点的原因是 。 【答案】(1)不需要(2)AB(3)0.79(4)补偿阻力时木板倾角过大或补偿阻力过度 【详解】（1）由于有力传感器，所以不需要满足砂和砂桶的质量远小于小车质量。 （2）A B．要保证小车受到的合外力等于细线对小车的牵引力，需要补偿阻力，同时调整定滑轮的高度使牵引小车的细线与长木板平行，故AB正确； C D．开始时小车的位置靠近打点计时器，先接通电源，后释放小车，两个步骤为实验的正确操作步骤，但是和小车受到的合外力等于细线对小车的牵引力无关，故CD错误。故选AB。 （3）由逐差法可得小车的加速度大小为 （4）图像不过原点的原因是补偿阻力时木板倾角过大或补偿阻力过度。 本节结束 谢谢观看 Sheet1 编号 次数 加速度 拉力 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 Sheet1 拉力F 加速度a a-F图像 Sheet1 编号 次数 加速度 质量倒数 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 Sheet1 质量倒数1/M 加速度a a-1/M图像 Lavf58.12.100 Sheet1 编号 次数 x1/x2 F1/F2 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 Sheet1 拉力之比 位移之比 x1/x2-F1/F2图像 Sheet1 编号 次数 x1/x2 M2/M1 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 Sheet1 质量之比 位移之比 x1/x2-M2/M1图像 Lavf58.12.100 $$