5.2 科学探究：加速度与力、质量的关系 课件 -2025-2026学年高一上学期物理鲁科版必修第一册

第五章 牛顿运动定律 5.2科学探究： 加速度与力、质量的关系 难点 能通过实验数据及图像得出加速度与力、质量的关系 3 重点 会测量加速度、力和质量的大小，能作出物体运动的a-F、a-图像 重点 学会用控制变量法探索物理规律 1 2 力是改变物体运动状态的原因 F合=0 运动状态不变 速度不变 a=0 F合≠0 运动状态改变 速度改变 a≠0 力是使物体产生加速度的原因 一切物体都具有惯性 质量是惯性大小的唯一量度 F合相同，质量小的速度变化快 质量相同，F合大的速度变化快 加速度是表示速度变化快慢的物理量 加速度与力和质量必定存在着某种联系。 日常生活中，我们常见到如图所示情境：若帮忙推车的人越多，推力越大，车的速度改变就越快；相同推力下，若汽车是空车，则比满载时速度改变快。由此我们可以得出加速度与力和质量可能存在什么关系？ 可能存在以下关系：在m一定时，a与F成正比；在F一定时，a与m成反比。 一、实验器材 带定滑轮的木板、薄垫块、小车、细绳、重物(小钩码或沙桶等)、 、纸带、交流电源、 、砝码、 。 打点计时器 天平 刻度尺 二、实验原理与设计 1.本实验运用 ，分别探究加 速度与受力大小、加速度与质量的关系。 (实验装置如图所示) 2.实验中，通过 打出的纸带测 量小车的加速度a。 通过细绳给小车施加外力F。 3.(1)若保持小车质量m不变，通过 的方式改变作用于小车的拉力F，测出小车相应的加速度a，则可得a与F的关系。 (2)若保持拉力F不变，通过在 的方式改变小车的质量m，测出相应的加速度a，则可得a与m的关系。 控制变量法 实验装置示意图 打点计时器 重物 增减重物 小车上增减砝码 4.物理量的测量 (1)质量的测量：用天平测量。在小车中增减砝码的数量可改变小车的质量。 (2)加速度的测量 ①方法1：让小车做初速度为0的匀加速直线运动，用刻度尺测量小车移动的位移x，用秒表测量发生这段位移所用的时间t，然后由a=计算出加速度a。 ②方法2：由纸带根据公式Δx=aT2结合逐差法计算出小车的加速度。 ③方法3：不直接测量加速度，求加速度之比。例如：让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等，测出各自的位移x1、x2，则 =，把加速度的测量转换成位移的测量。 (3)力的测量 在阻力得到平衡的情况下，小车受到的拉力等于小车所受的合力。 ①在槽码的质量比小车的质量小得多时，可认为小车所受的拉力近似等于槽码的重力。 ②使用力传感器可以直接测量拉力的大小，不需要使槽码的质量远小于小车的质量。 三、实验步骤 1.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。 2.用薄垫块将木板一端垫高，调整其倾斜程度，直至小车运动时打点计时器在纸带上打出的点分布 为止。 3.在细绳一端挂上重物，另一端通过定滑轮系在小车前端。注意重物质量应 小车质量。 均匀 远小于 4.将小车靠近打点计时器后开启打点计时器，稍后再将小车由静止释放。打点计时器在纸带上打出一系列点，据此计算出小车的加速度。保持小车质量不变，增加重物的质量(重物总质量仍远小于小车质量)，重复实验，将小车所受的不同拉力与相应计算出的加速度记下来。 5.保持重物不变，增加或减少小车上的砝码以改变小车的质量，重复实验，将小车的质量与相应的加速度记录下来。 四、数据分析 1.小车质量m一定时，将所受拉力F与相应加速度a的实验数据填入表1中； 表1　加速度与受力的关系(m不变) 实验序号 1 2 3 4 5 … 拉力F/N  0.1 0.2 0.3  0.4 0.5 0.6 加速度a/(m·s-2) 0.31  0.86 1.28 1.51 1.85 2.27 四、数据分析 拉力F一定时，将小车质量m与相应加速度a的实验数据填入表2中。 表2　加速度与质量的关系(F不变) 实验序号 1 2 3 4 5 … 质量m/kg 184.8 204.8 224.8 244.8 264.8 284.8 加速度a/(m·s-2) 0.86 0.75 0.68 0.62 0.55 0.53 1.m一定时，分析加速度a与拉力F的定量关系由 表1中记录的数据，以加速度a为纵坐标，以拉力 F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a-F图像， 如图所示，若图像是一条过原点的倾斜直线，就能说明a与F成正比。 拉力F/N  0.1 0.2 0.3  0.4 0.5 0.6 加速度a/(m·s-2) 0.31  0.86 1.28 1.51 1.85 2.27 由表2中记录的数据，以a为纵坐标，以为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a- 图像，如图所示。若图像是一条过原点的倾斜直线，说明a与成正比，即a与m成反比 质量m/kg 184.8 204.8 224.8 244.8 264.8 284.8 加速度a/(m·s-2) 0.86 0.75 0.68 0.62 0.55 0.53 实验结论： (1)对同一物体，当m不变时，a与F的关系是二者成 。 (2)对不同物体，当F不变时，a与m的关系是二者成 。 正比 反比 实验中为什么要将木板一端垫高来平衡摩擦力？ 答案　因为在实验中，摩擦力大小不可计算，平衡摩擦力后，小车所受合力才为绳子的拉力。 1.如图所示为某同学“探究在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量的关系”的实验装置示意图。 (1)本实验采用的科学方法是　　　　。  A.理想实验法 B.控制变量法 C.建立物理模型法 √ (2)实验中，需要平衡打点计时器对小车的阻力及其他阻力；小车放在长木板上，后面固定一条纸带，纸带穿过打点计时器，把长木板不带滑轮的一端垫高，调节长木板的倾斜度，使小车在不受绳的拉力时能拖动纸带沿长木板做　　　　运动。  匀速直线 (3)实验时，某小组同学由于疏忽，遗漏了平衡摩擦力这一步骤，他得到的a-F图像可能是图中的_____ (选填“①”“②”或“③”)图线。  ③ (4)某小组在实验时，保持沙和沙桶质量不变，改变小车质量m，分别记录小车加速度a与其质量m的数据，在分析处理数据时，该组同学产生分歧：甲同学认为根据实验数据可以作出小车加速度a与其质量m的图像，如图甲，然后由图像直接得出a与m成反比。乙同学认为应该继续验证a与其质量的倒数是否成正比，并作出小车加速度a与其质量的倒数的图像，如图乙所示。你认为同学　　　　(选填“甲”或“乙”)的方案更合理。  乙 (1)实验“探究在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量的关系”，采用的科学方法是控制变量法，故选B。 (2)平衡摩擦力时，把长木板不带滑轮的一端垫高，调节长木板的倾斜度，使小车在不受绳的拉力时能拖动纸带沿长木板做匀速直线运动即可 (3)某同学遗漏了平衡摩擦力这一步骤，则当力F大于阻力时，小车才会有加速度，故得到图线③。 (4)甲同学作出小车加速度a与 其质量m的图像，图像是一条 曲线，不能由图像直接得出a 与m成反比；乙同学作出小车 加速度a与其质量的倒数的图像，图像是一条过原点的倾斜直线，可以得出加速度a与其质量的倒数成正比，即a与m成反比，所以乙的方案更合理。 2. (2023·福州市高一期末)在“探究加速度与物体受力的关系”活动中，某小组设计了如图所示的实验。图中上下两层水平轨道表面光滑，两完全相同的小车前端系上细线，细线跨过滑轮并分别挂上装有不同质量砝码的盘，两小车尾部细线水平连到控制装 置上，实验时通过控制细线使两小车同 时由静止开始运动，然后同时停止。实 验中， (1)应使砝码和砝码盘的总质量远　　　 (填“大于”或“小于”)小车的质量，这时可认为小车受到合力的大小等于砝码和砝码盘的总重力。  小于 (2)若测得小车Ⅰ、小车Ⅱ在相同时间内的位移分别为x1和x2，则小车Ⅰ、小车Ⅱ的加速度之比a1∶a2=　　　　。  x1∶x2 (1)当m≪M时，即当砝码盘和砝码的总质量远小于小车的质量，细线的拉力近似等于砝码盘和砝码的总重力。 (2)在初速度为零的匀变速直线运动中有x=at2，若运动时间相等，则位移与加速度成正比。小车Ⅰ、Ⅱ的加速度之比a1∶a2=x1∶x2。 3.某实验小组利用如图所示的装置探究加速度与力、质量的关系，将连接滑块的细绳、力传感器和动滑轮之前的细绳、定滑轮和动滑轮之间的细绳均调为水平，通过调节气垫导轨下的螺母使气垫导轨水平，打开气源，将滑块由静止释放，用刻度尺量出两光电门之间的距离x和滑块的宽度d，并记录滑块经过光电门1的遮光时间t1和经过光电门2的遮光时间t2。 根据以上的操作回答下列问题： (1)本实验中钩码的质量　　　　(选填“需要”或“不需要”)远小于滑块的质量。  不需要 在探究加速度与合外力的关系时，通过运动学公式计算出滑块的加速度a=　　　 　(用已知字母表示)。  (3)保持滑块质量不变，改变钩码质量，依次记录力传感器的示数并求出滑块所对应的加速度，可知在误差允许的范围内，加速度与所受合外力成正比。 (1)实验中细绳的拉力可以通过力传感器直接得出，不需要满足钩码的质量远小于滑块的质量。 在极短时间内，物体的瞬时速度等于该过程的平均速度，则滑块经过两个光电门的瞬时速度分别为v1=，v2= 根据速度位移公式得-=2ax 联立解得a=。 控制变量法 在m一定时，验证a与F的关系 在F一定时，验证a与m的关系 实验器材 实验原理与设计 实验步骤 数据分析 实验结论 测m、F、a 平衡摩擦力 m一定，改变F F一定，改变m 砝码质量远小于小车质量 a－F、a－图像 在m一定时，a与F成正比 在F一定时，a与m成反比 科学探究：加速度与力、质量的关系 谢谢 Lavf57.62.100 Lavf57.62.100 Lavf57.62.100 Lavf57.62.100 Lavf57.62.100 $$