4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系 课件-2024-2025学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

4.2 实验：探索加速度与力、质量的关系 第四章 运动和力的关系 ——身正心定 闳中博学—— 张二朝 新教材人教版 物理（必修第一册） 课堂引入 牛顿第一定律：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。 牛顿第一定律告诉我们，当物体不受力或所受合力为零，运动状态不变。那么如果合力不为零，物体会做什么运动？ 课堂引入 1、力是改变物体运动状态的原因 2、惯性只与质量有关 加速度与力的关系 加速度与质量的关系 加速度与力、质量之间必然存在一定的关系。 需要测量哪些物理量，如何控制变量？分别有几种测量方法？如何准确测量这些物理量？ 怎样准确记录实验数据？如何处理实验数据、获取结论？ 若要通过实验寻找加速度与力和质量的定量关系，选取的研究对象是什么？要使研究对象怎样运动？ 猜想：a与F、m有什么关系？ 在m一定时，F越大，a越大； 在F一定时，m越小，a越大。 如何探究a与F、m三个变量之间的关系？ 控制变量法 保持m不变，研究a与F的关系 保持F不变，研究a与m的关系 一、实验目的 1.学习用控制变量法探究物理规律。 2.会测量加速度、力和质量，能作出物体运动的a－F、a－1/m图像。 3.能通过实验数据及图像得出加速度与力、质量的关系。 二．实验设计: 参考方案：用打点计时器探究 小车： 研究对象，天平称其质量M. 打点计时器：测量小车运动过程中的加速度a. 砝码盘和砝码：重力mg提供拉力 合力 F = ? G FN F f 平衡摩擦力： G G1 FN f G1平衡摩擦力 f 1、小车不挂牵引绳。要连接纸带、打点计时器。 2、小车不受牵引，沿木板匀速运动，平衡摩擦力完成。 3、改变钩码盘、小车质量，都不需要重新平衡摩擦力。 为什么呢？ m << M ，当钩码质量 远小于 小车质量时 可近似认为小车所受的 拉力F 等于 钩码的重力 拉力F mg M 思考与讨论 小车所受的绳上拉力F 等于钩码的重力吗？ 南阳市第十八完全学校 实验设计：如何测量各个物理量？ 可以通过在小车中增减砝码的数量改变小车质量 1. 测量质量——天平 2. 测量加速度——打点计时器+纸带 怎么用纸带测量加速度？ 法1：Δx=aT 2 法2：绘制v-t图像，根据斜率求a 实验步骤： （1）用天平测出小车的质量。 （2）安装滑轨，平衡摩擦力。 （3）把细线系在小车上并绕过滑轮悬挂槽码，将车拉到打点计时器附近。 （4）先接通打点计时器电源，再释放小车，得到纸带，根据纸带计算小车的加速度，并记下小车和砝码的总质量。 （5）改变槽码的质量，重复以上的步骤多测量几次。 （6）控制槽码质量不变，改变小车质量，再测几组数据。 （7）设计表格，记录实验数据，分析数据得出结论。 T 盘和槽码 探究a和F的关系 探究a和m的关系 1．实验中应先接通电源后释放小车。 2．在平衡摩擦力时不要悬挂任何物体。 3．改变槽码的质量过程中，要始终保证槽码的质量远小于小车质量，绳的拉力才近似等于槽码的重力。 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分布在直线的两侧，但若遇到个别偏离较远的点可舍去。 5．每次改变小车质量后，不需要重新平衡摩擦力。 6．通过调节木板上定滑轮，使牵引小车的细绳与木板平行。 注意事项： 实验器材： 测量、改变小车的质量m 改变合外力F 测量小车的加速度a 数据记录 探究加速度与合力的关系： 探究加速度与质量的关系： 如何更直观地判断变量间的关系？ ——在坐标系中描点作图 实验结论1：当物体的质量一定时，加速度a与合外力F合成正比。 a/m·s-2 F合/N 0.1 0.5 0.4 0.3 0.2 0.7 0.6 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 • • • • • 数据处理与分析 15 图像很难直观地看出来a与m是否成反比（是否为双曲线），如何解决这个问题？ 0.2 0.8 0.6 0.4 0 0.4 0.5 0.75 1.0 1.2 • • • • • 1.0 a/m·s-2 m/kg ——“化曲为直” 16 如果 a 和 m 成反比，则a与 成正比，做出 a - 图像，如果图像是过原点的直线，即可说明 a 和 m 成反比。 实验结论2：当合外力一定时，加速度a与物体的质量m成反比。 0.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 • • • • • m-1/kg-1 a/m·s-2 17 误差分析 判断作出以下图像的原因 所挂槽码的质量太大,不满足M>>m 未平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 平衡摩擦力过度 系统误差： 1.实验中用槽码的重力mg代替小车所受的拉力，而实际上小车所受的拉力要略小于槽码的重力 2.实验仪器的误差，如天平不准，打点计时器工作频率偏大或偏小等 解决办法： 使槽码的总质量远小于小车的质量，选用更精确的仪器 实验演示 创新实验 1.利用气垫导轨和光电门测量加速度 思考：此时还需不需要平衡摩擦力？ 创新实验 2. 利用弹簧测力计(水平悬挂)探究 弹簧测力计的示数的两倍就等于小车所受到的拉力 思考： 是否还需要平衡摩擦力？ 是否需要满足槽码质量远小于滑块质量？ 创新实验 3. 利用弹簧测力计(竖直悬挂)探究 弹簧测力计的示数的等于小车所受到的拉力 思考： 是否还需要平衡摩擦力？ 是否需要满足槽码质量远小于滑块质量？ 创新实验 1．(多选)在《探究加速度与力、质量的关系》实验中，要采用控制变量法来进行研究，实验装置如图所示。在实验中，要把平板右端垫高一些，以平衡摩擦力，使小车受到合力等于绳对小车的拉力，且认为绳的拉力等于砂和桶的总重力mg。（小车的总质量为M，重力加速度为g）对于本实验，以下说法中正确的是（ ） A．砂和桶的总质量m要远大于小车的总质量M B．每次改变小车质量后，需要重新平衡摩擦力 C．小车的加速度可用a=mg/M求解 D．为了形象直观探究小车加速度a与小车总质量 M的关系，应做出a–1/M图象 CD 练习 2.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，采用如图所示的装置．则下列说法中正确的是 （ ） A．本实验主要采用控制变量的方法来研究加速度与力、质量的关系 B．在探究加速度与外力的关系时，应该改变小车的质量 C．在探究加速度与质量的关系时作出 图象容易更直观判断出二者间的关系 D．无论在什么条件下，细线对小车的拉力大小总等于砝码盘和砝码的总重力大小． AC 练习 3.为了探究加速度与力的关系，某同学设计了如图1所示的实验装置，带滑轮的长木板水平放置． ①在该实验中必须采用控制变量法，应保持 不变；改变所挂钩码的数量，多次重复测量，在某次实验中根据测得的多组数据可画出a﹣F关系图线（如图2所示）。 ②分析此图线，CA段不过原点的可能原因是 ： . ③此图线的AB段明显偏离直线，造成此误差的主要原因是（ ） A．所挂钩码的总质量太大 B．所用木块的质量太大 C．导轨保持了水平状态 D．木块与导轨之 间存在摩擦． 木块质量 未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足及所挂钩码的总质量太大 A 练习 课堂小结 实验：探究加速度与力、质量的关系 加速度与力和质量的关系 实验探究 加速度与所受的作用力成正比 加速度与物体质量成反比 设计实验 实验操作 实验数据分析 加速度、力、质量的测量 平衡摩擦力的方法 减小系统误差的方法 建立坐标系，绘制和分析 a-F 图像 建立坐标系，绘制和分析 a-1/m 图像 THANKS 谢谢 ——身正心定 闳中博学—— 人教版（2019） 物理（必修第一册） Lavf58.12.100 $$