4.2 加速度与力、质量之间的关系 课件-2025-2026学年高一上学期物理粤教版必修第一册

这是一份高中物理同步教学课件，聚焦“加速度与力、质量的关系”，涵盖学习目标、实验探究（含控制变量法、气垫导轨操作、数据处理及误差分析）、典例剖析与实验创新等，为同步教学提供系统学习支架。 资料以科学探究为主线，融合科学思维与物理观念，通过控制变量法设计实验，利用光电门测加速度、图像法处理数据，创新对比打点计时器方案，渗透误差分析，助力学生构建运动观念，提升探究能力，也为教师提供详实教学支持。 高一学生正处于从定性认知到定量探究的过渡阶段，对抽象物理规律的理解需依托实验体验，本资料通过直观的实验操作指引、分层的典例解析及易错辨析，帮助学生夯实实验技能，培养科学思维，适应高中物理学习要求。

第四章　牛顿运动定律 第二节　加速度与力、质量之间的关系 学 习 目 标 1.知道加速度的大小与力和质量有关.了解气垫导轨减小摩擦的原理及控制变量法.(物理观念,科学思维) 2.掌握探究加速度与力的定量关系的实验,并会处理实验数据,得出实验结论.(科学探究) 基础落实·必备知识全过关 一、影响加速度的因素　　细绳拉力 同一滑块受到的外力越小,滑块运动得越　　　,通过两个光电门的时间越 　　　;受到的外力越大,滑块运动得越　　　,通过两个光电门的时间越 　　　.在大小相同的外力作用下,滑块质量大的,运动得　　　,通过两个光电门的时间　　　;质量小的,运动得　　　,通过两个光电门的时间 　　　.  在滑块上加砝码 根据s= at2,可得　　　　.由于s一定,所以t越长,a越　　　,反之t越短,a越　　　.因此,相同质量的物体,受到的外力越小,加速度越　　　;受到相同外力时,质量越小,加速度越　　.物体的加速度a既跟　 　　　　有关,又跟　　　　 　　有关. 　　　 　 慢 长 快 短 慢 长 快 短 小 大 小 大 所受的外力F 物体本身的质量m 二、加速度与力、质量之间的定量关系 (一)实验目的 1.学会用控制变量法研究物理规律. 2.会测量加速度、力和质量,能作出物体运动的a-F、a- 图像. 3.会通过实验探究加速度与力、质量之间的定量关系. (二)实验器材 气垫导轨、数字计时器、遮光条、滑块、小桶、砝码、橡皮泥、天平、细绳、刻度尺. (三)实验思路 1.实验的基本思想——控制变量法 (1)保持研究对象即滑块的质量不变,改变橡皮泥的质量来改变滑块所受拉力,测出滑块的对应加速度,验证加速度是否正比于作用力. (2)保持滑块所受拉力不变,改变研究对象即滑块的质量,测出对应不同质量的加速度,验证加速度是否反比于质量. 2.三个物理量的测量方法 本实验的研究对象:滑块 (装置如图所示). (1)滑块质量的测量:利用天平测出,在滑块上增减砝码可改变滑块的质量. (2)加速度的测量:利用导轨旁边的刻度尺测出两光电门间的距离s,用刻度尺测出固定在滑块上的遮光条宽度Δs,用数字计时器测出遮光条分别经过 (3)拉力的测量:当小桶与橡皮泥的质量远小于滑块与砝码的质量时,可以认为滑块受到的拉力(合外力)近似等于小桶与橡皮泥的总重力. (四)进行实验 1.用天平测出滑块的质量M,并把数值记录下来. 2.把实验器材安装好. 3.将气垫导轨调至水平. 4.用细绳一端挂小桶,小桶内放入适量橡皮泥,另一端绕过定滑轮系在滑块上,在滑块上加放适量砝码,用天平测出小桶与橡皮泥的质量m,记录下来.用刻度尺测量出两光电门间的距离s.接通气垫导轨与数字计时器电源,放开小桶,记录滑块通过两光电门的时间并计算出滑块经过两光电门时的速度,并设计表格如下. 表1 橡皮泥及小桶的质量m/kg 滑块所受拉力大小的近似值F/N 滑块通过光电门1的速度v1/(m·s-1) 滑块通过光电门2的速度v2/(m·s-1) 两光电门间的距离s/m 滑块加速度的计算值 a/(m·s-2)             5.保持滑块(含砝码)的质量不变,改变橡皮泥的质量,按步骤4做6次实验. 7.保持橡皮泥及小桶的质量不变,通过在滑块上增加或减少砝码重复上面的实验,求出相应的加速度,把数据记录在下面的表格中. 表2 滑块(含遮光条和砝码)的质量M/kg 滑块通过光电门1的速度v1/(m·s-1) 滑块通过光电门2的速度v2/(m·s-1) 两光电门间的距离s/m 滑块加速度的计算值a/(m·s-2)           8.整理实验器材,结束实验. (五)数据处理 1.由表1中记录的数据,以a为纵坐标、F为横坐标,根据数据作a-F图像(如图所示),找出规律,分析a与F的关系. (六)误差分析 比较项 产生原因 减小方法 偶然 误差 质量测量不准 多次测量求平均值 滑块所受拉力测量不准 (1)气垫导轨调至水平 (2)使细绳平行于导轨 作图不准 使尽可能多的点落在直线(或曲线)上或均匀分布在直线(或曲线)两侧,误差较大的点舍去 系统 误差 小桶及橡皮泥的总重力代替滑块所受的拉力 使小桶及橡皮泥的总质量远小于滑块、砝码和遮光条的总质量 (七)注意事项 1.气垫导轨是较精密仪器,实验中必须避免导轨受碰撞、摩擦而变形、损伤,没有给气垫导轨通气时,不准在导轨上强行推动滑块. 2.实验时滑块的速度不能太大,以免在与导轨两端缓冲弹簧碰撞后跌落而使滑块受损. 3.实验时滑块由静止释放,应防止小桶摆动且滑块最好在同一位置处释放,便于检查数据的准确性. 4.用图像法处理实验数据,作图时应使尽可能多的点在图线上,不在图线上的点尽可能分布在所作图线的两侧,偏离图线太远的点应舍弃掉. (八)实验结论 1.保持物体质量M不变时,物体的加速度a与所受力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. 易错辨析 1.实验操作过程中,滑块必须由静止释放.(　　) 2.物体所受的合力越大,物体的加速度一定越大.(　　) 物体的加速度既跟所受的外力有关,又跟物体本身的质量有关. 3.物体所受的合力越大,质量越小,则物体的加速度一定越大. (　　) 4.探究加速度与力、质量之间的关系的实验是通过同时改变小车的质量m及受到的拉力F的研究,归纳出加速度、力、质量三者之间的关系.(　　) 采用控制变量法.先保持小车质量不变,研究加速度与力的关系,再保持小车受力不变,研究加速度与质量的关系,最后归纳出a、F、m三者之间的关系. √ × √ × 5.为了减小误差,小桶及橡皮泥的总重力要远小于滑块的重力.(　　) 6.用图像法处理实验数据时,要将所有的点连接起来.(　　) 作图时应使尽可能多的点落在直线(或曲线)上,或均匀分布在直线(或曲线)两侧,误差较大的点舍去. √ × 重难探究·能力素养全提升 探究点一　实验操作与数据处理 典例剖析 【例题1】 某研究性学习小组利用气垫导轨探究加速度、质量和合外力之间的关系,实验装置如图所示.在气垫导轨上相隔一定距离的两处安装两个光电门1、2,滑块上固定一遮光条,滑块在细线的牵引下向左做加速运动. (1)实验前,接通气源,将滑块(不挂小桶)置于气垫导轨上,轻推滑块,滑块经过光电门1和光电门2的时间不同,造成此现象的原因是 　　　　　 　　　.  (2)实验装置调试正确后重新进行实验,测得遮光条宽度d=1.0 cm,两个光电门之间的距离l=25.0 cm,遮光条通过光电门1、2的时间分别为Δt1=0.04 s、Δt2=0.01 s,则滑块经过光电门1的瞬时速度大小为v1=　　　 m/s,滑块的加速度大小a=　　　 m/s2(结果均保留2位小数).  气垫导轨没有水平 0.25 1.88 (3)探究加速度和滑块质量的关系时,通过增加或减少滑块上的铁块数量来改变滑块质量.在减少铁块数量时,需要保证滑块质量M(含遮光条) 　　　　(选填“远大于”或“远小于”)小桶(含细沙)质量m.  (4)该小组通过将滑块上的铁块放置到小桶内来改变合外力,探究加速度与系统合外力的关系,在操作时并未满足问题(3)中的关系式,那么该操作 　　　(选填“会”或“不会”)导致实验产生误差.  远大于 不会 解析 (1)轻推滑块,滑块经过光电门1和光电门2的时间不同,说明滑块通过两个光电门时的速度不同,则造成此现象的原因气垫导轨没有水平. (2)滑块经过光电门1的瞬时速度大小为 (3)在减少铁块数量时,需要保证滑块质量M(含遮光条)远大于小桶(含细沙)质量m,这样才能使得小桶的重力近似认为等于滑块所受的牵引力. (4)该小组通过将滑块上的铁块放置到小桶内来改变合外力,探究加速度与系统合外力的关系,在操作时并未满足问题(3)中的关系式,但是如果以滑块和小桶(包括铁块)的整体为研究对象,该操作不会导致实验产生误差. 对点演练 1.用如图所示的实验装置验证“牛顿第二定律”,请回答下列问题. (1)为保证绳子对小车的拉力等于小车受到的合外力,必须要将长木板右侧适当垫高以平衡阻力,实验中平衡阻力时,要先　　　(选填“挂上”或“取下”)砝码盘;  (2)为保证小车受到拉力的大小近似等于砝码盘和砝码的总重力,应使小车质量M与砝码和砝码盘的总质量m满足M　　　　(选填“远大于”或“远小于”)m;  取下 远大于 (3)实验中打出的纸带如图所示,相邻计数点间还有四个点未画出,其中x1=7.05 cm,x2=7.68 cm,x3=8.33 cm,x4=8.96 cm,x5=9.60 cm,x6=10.24 cm,交变电流的频率为50 Hz,由此可以算出小车运动的加速度大小是 　　　　m/s2;(结果保留2位有效数字)  0.64 (4)平衡阻力后,在保持小车质量不变的情况下,通过多次改变砝码质量,进行实验并收集数据,作出小车加速度a与砝码和砝码盘总重力F的关系图像如图所示.造成当M一定时,a与F不成正比的原因可能是:在平衡阻力时木板与水平桌面的倾角　　　(选填“偏大”或“偏小”);  偏小 (5)平衡阻力后,验证合外力一定时,a与M的关系:通过多次实验,小明和小红利用各自得到的数据得到a-的关系图像,如图所示,该图像说明在小明和小红做实验时,　　　　(选填“小明”或“小红”)实验中绳子的拉力更大.  小明 解析 (1)根据平衡阻力的方法可知要先取下砝码盘. (2)设绳子上拉力为T,以整体为研究对象有mg=(m+M)a,以小车为研究对象有绳子的拉力T=Ma=,显然要有T=mg,需使小车的质量远大于砝码盘和砝码的总质量. (3)根据逐差法可知加速度为a=×0.01 m/s2=0.64 m/s2. (4)由图丙可知当F增大至F0时,才有加速度,说明在平衡阻力时木板与水平桌面的夹角偏小. (5)平衡阻力后,对小车有F=Ma,整理得a=,则图像斜率表示F,所以小明实验中绳子的拉力更大. 探究点二　实验创新 导学探究 利用打点计时器、小车、长木板等器材或其他方案也可以探究加速度与质量、合力的关系.与使用光电门和气垫导轨相比,差别最大的是加速度的测量方法,利用纸带测量加速度的原理是s2-s1=aT2,合力的测定则具有相似之处. 典例剖析 【例题2】 (2025安徽高二月考)某同学用如图所示装置做“探究加速度与力的关系”的实验.已知滑轮的质量为m0. (1)该实验　　　(选填“需要”或“不需要”)平衡阻力;  需要 (2)按正确的实验操作进行实验,打出的一条纸带如图所示,已知打点计时器使用交流电源的频率为50 Hz,相邻两计数点之间还有四个点未画出,由图中的数据可知小车运动的加速度大小是　　　　　 m/s2(计算结果保留3位有效数字);  2.40 (3)改变砂桶中砂的质量进行多次实验,记录每次力传感器的示数F,并根据打出的纸带求出小车运动的加速度a,根据测得的多组a、F,作出a-F图像,随着砂桶中砂的质量增加,作出的图像应该是　　　;若图像直线的斜率为 k,则小车的质量为　　　.  A -m0 解析 (1)由于实验通过传感器测小车受到的拉力与小车加速度的关系, 所以该实验需要平衡阻力. (2)相邻两计数点之间还有四个点未画出,则相邻计数点间时间间隔为T=5×0.02 s=0.1 s,由逐差法可得小车加速度大小 a= m/s2≈2.40 m/s2. (3)设小车的质量为m1,根据牛顿第二定律可得2F=(m0+m1)a, 可得a=F,可知a-F图像应是一条过原点的倾斜直线,故选A; 根据上述分析可得a-F图像的斜率k=,则小车的质量为m1=-m0. 对点演练 2.(2025山西晋城高一月考)兴趣小组利用如下装置探究“加速度与力的关系”的实验.器材包含:气垫导轨(含气泵)、光电门(两个)、数字计时器、带遮光条的滑块、砝码5个(质量均为5 g)、砝码盘、刻度尺和天平. 实验步骤:固定好光电门,调整导轨水平,用刻度尺测出两个光电门之间的距离及遮光条的宽度,用天平称量出砝码盘的质量为5 g.滑块用细线跨过定滑轮连接在砝码盘上,将5个砝码放到滑块上,由静止释放滑块,记录滑块经过两个光电门的时间;再从滑块中取出一个砝码放到砝码盘中,重复上述操作,直至将5个砝码全部取出,根据测量的数据描出滑块加速度a与砝码及砝码盘的总重力F的关系(a-F图像),如图乙所示. 甲 乙 根据实验步骤回答下列问题: (1)调整导轨水平的方法是滑块不挂砝码盘时打开气泵,轻轻推动滑块,调节至滑块通过两个光电门的　　　　　,即可说明导轨水平.  (2)上述操作中多余或者遗漏的步骤是　　　　.  A.遗漏了“平衡阻力” B.“称量砝码盘的质量”多余 C.遗漏了“调节细线与导轨平行” (3)根据图乙,可以计算出滑块的质量是　　　 g(结果保留整数).  (4)误差分析:上述实验　　　　(选填“需要”或“不需要”)满足砝码和砝码盘的质量远小于滑块的质量.  时间相同 C 191 不需要 解析 (1)若滑块通过两个光电门的时间相同,则速度相同,则可说明导轨水平. (2)利用气垫导轨和光电门装置探究“加速度与力的关系”的实验,不需要平衡阻力,A错误;砝码盘也有重力,对拉力有影响,并且a-F图像中斜率为总质量的倒数,故“称量砝码盘的质量”并非多余,B错误;为了保证拉力方向不变,“调节细线与导轨平行”是必需的,C正确. (3)设滑块的质量为m0,砝码盘及每一个砝码的质量都为m,则n个砝码及砝码盘的总重力F=(n+1)mg,以滑块、砝码及砝码盘整体为研究对象,设当砝码盘中有n个砝码时,细线上的拉力为T,据牛顿第二定律,对砝码盘及砝码有(n+1)mg-T=(n+1)ma,对滑块有T=[m0+(5-n)m]a,联立可得加速度为a=·F,即a-F图像中斜率为,解得m0=0.191 kg=191 g. (4)每次从滑块中取出的砝码都放到砝码盘中,测量的数据描出滑块加速度a与砝码及砝码盘的总重力F的关系(a-F图像),则a与F成正比,图像中斜率表示滑块、砝码、砝码盘的总质量,故不需要砝码盘的质量远小于滑块的质量. 学以致用·随堂检测全达标 1 2 1.(实验操作与数据处理)(2025吉林松原高一期末)某实验小组利用如图甲所示的装置探究加速度与力、质量的关系. (1)下列做法正确的是　　　　(填正确答案标号).  A.调节滑轮的高度,使牵引小车的细绳 与长木板保持平行 B.在调节木板倾斜度平衡小车的阻力 时,将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴 在小车上 C.实验时,先放开小车再接通打点计 时器的电源 D.通过增减小车上的砝码改变质量时,不需要重新调节长木板的倾斜度 AD 1 2 (2)为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力,应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量　　　　(选填“远大于” “远小于”或“近似等于”)小车和小车上砝码的总质量.  远小于 1 2 (3)已知打点计时器所接交流电源的频率为50 Hz,如图乙是某次实验得到的一条记录小车运动情况的纸带,其中A、B、C、D、E、F、G为相邻的计数点,相邻两计数点间还有四个点未画出.根据纸带可求出小车的加速度大小a=　　　 m/s2(结果保留2位有效数字).  (4)如图丙所示为某同学在探究加速度a与力F的关系时,根据测量数据作出的a-F图像,说明实验可能存在的问题是　　　　　　　 　　　.  0.50 平衡阻力不足或未平衡阻力 1 2 解析 (1)平衡阻力后,调节滑轮高度,使牵引小车的细绳与长木板保持平行,这样细绳的拉力就等于小车所受的合外力,故A正确;在调节木板的倾斜度平衡小车受到的阻力时,小车要挂上纸带,不需要将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在小车上,故B错误;实验时,应先接通打点计时器的电源,待打点稳定后再放开小车,否则小车运动一段时间后再打点,纸带上点迹很少也不便于研究,故C错误;通过增减小车上的砝码改变质量时,要保证细绳与长木板平面平行,不需要重新平衡阻力,故不需要重新调节长木板的倾斜度,故D正确. 1 2 (2)对砝码桶及桶内砝码,由牛顿第二定律可得mg-T=ma,对小车和小车上砝码,由牛顿第二定律可得T=m总a,联立解得T=,可见,当砝码桶及桶内砝码的总质量远小于小车和小车上砝码的总质量时,近似等于零,此时砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力. 1 2 (3)相邻两计数点间的时间间隔Δt=5×=5× s=0.1 s,根据逐差法可得加速度a= cm/s2≈0.50 m/s2.(4)由题图丙可以看出,当F增大到一定值(图线与横轴截距)时,小车才有加速度,说明平衡阻力不足或未平衡阻力. 1 2 2.(创新实验)如图所示,某同学利用图示装置做“探究加速度与物体所受合力的关系”的实验.在气垫导轨上安装了两个光电门1、2,滑块上固定一遮光条,滑块通过绕过两个滑轮的细绳与弹簧测力计相连,C为弹簧秤,实验时改变钩码的质量,读出弹簧秤的不同示数F,不计细绳与滑轮之间的摩擦力. (1)实验中　　　　(选填“一定要”或“不需要”)保证钩码的质量远小于滑块和遮光条的总质量;实验中　　　　(选填“一定要”或“不需要”)用天平测出所挂钩码的质量;  不需要 不需要 1 2 (2)某同学实验时,未挂细绳和钩码接通气源,推一下滑块使其从轨道右端向左运动,发现遮光条通过光电门2的时间大于通过光电门1的时间,该同学疏忽大意,未采取措施调节导轨,继续进行其他实验步骤(其他实验步骤没有失误),则该同学作出的滑块(含遮光条)加速度a与弹簧秤拉力F的图像可能是　　　　　(填图像下方的字母).  (3)若该同学作出的a-F图像中图线的斜率为k,则滑块(含遮光条)的质量为 　　　　.  C 1 2 1 2 解析 (1)此实验滑块受到的拉力可以用弹簧测力计测出,故不需要满足钩码的质量远小于滑块和遮光条的总质量,也不需要用天平测出所挂钩码的质量. (2)遮光条通过光电门2的时间大于通过光电门1的时间,说明滑块做减速运动,导轨的左端偏高,则加外力时,需到达一定的值才能使滑块加速运动,则作出的滑块(含遮光条)加速度a与弹簧秤拉力F的图像可能是C. (3)根据a=,则=k,解得M=. a= 两个光电门所经历的时间Δt1、Δt2.根据v1=和v2=,可计算出滑块经过两光电门时的瞬时速度,再由=2as,可计算出滑块的加速度. 6.利用公式a=计算出相应的加速度,填入相应表格中. 2.由表2中记录的数据,分别以a为纵坐标、M和为横坐标,根据数据作 a-M图像和a-图像,如图所示,分析a与M的关系. v1= m/s=0.25 m/s 经过光电门2的瞬时速度大小为 v2= m/s=1.00 m/s 滑块的加速度大小 a= m/s2=1.88 m/s2. $