4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系（教学课件）物理人教版必修第一册

第四章 运动和力的关系 2.实验：探究加速度与力、质量的关系 人教版·高一必修第一册 学习目标——物理学科素养 01 物理观念 认识加速度与力、质量存在关联，初步建立运动和力之间的定量关系。 02 科学思维 运用控制变量法，猜想变量关系，用图像法处理数据、分析规律。 03 科学探究 设计实验方案，规范操作测量，采集数据，探究加速度与力、质量关系。 04 科学态度与责任 如实记录实验数据，正视实验误差，养成实事求是的实验习惯。 教学重难点 教学难点 教学重点 1. 掌握控制变量法探究加速度与力、质量关系 2. 利用图像法处理实验数据，归纳实验规律 1. 平衡摩擦力以及满足砝码质量远小于小车质量 2. 分析实验误差来源，理解实验的近似条件 通过前面的学习，我们知道： (1)速度是描述物体运动状态的物理量。 (2)加速度是描述速度变化快慢的物理量。 这说明，加速度与力、质量之间存在一定的关系，那么我们如何来研究它们之间的定量关系呢？ 课堂引入——思考与讨论 (3)力是改变物体状态的原因，质量大的物体运动状态不容易改变。 知识点1 实验思路 由于我们要探究加速度与力、质量三个物理量之间的关系，那么当我们要确定某两个物理的定量关系时，我们应该采取什么样的方法呢？ 探索新知——思考与讨论 知识点2 物理量的测量 （1）你认为实验过程中我们需要测量哪些物理量呢？ （2）测量这些物理量要用的哪些器材和方法？ 探索新知——思考与讨论 （3）若给你如下实验器材，你是否可以设计一个实验完成测量任务呢？ 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。 “逐差法”求解加速度：Δx＝aT2，xm－xn＝(m－n)aT2 (m＞n) 探索新知——物理量的测量 (1)实验中以手通过测力计对小车施加恒力，是否可行？ 探索新知——思考与讨论 3.力的测量： F (2)如何为运动的小车提供一个恒定的外力，你能为之设计一个方案吗？ (3)这种方案中，小车所受的摩擦力是否可以计算出？如果不能计算出的话，如何消除摩擦力的影响呢？ 探索新知——思考与讨论 3.力的测量： 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：先不挂槽码，将轨道无滑轮端垫高，让小车连带纸带下滑。若纸带点间距均匀，则说明匀速下滑，由此抵消摩擦力影响。 探索新知——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） 探索新知——物理量的测量 知识点3 进行实验与数据分析 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)按图将实验器材安装好(小车上不系绳)。 探索新知——探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (3)平衡阻力。 (4)将槽码系在小车上，接通电源释放小车，用纸带记录其运动；取下纸带并标上号码，同时标注所挂槽码重力m0g。 (5)保持小车质量恒定，改变槽码重力，重复步骤(3)并多次实验。小车每次从同一位置释放，记录槽码重力m₁g、m₂g…，将纸带加速度填入表格1。 探索新知——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     …     探索新知——探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (6)保持小车受拉力不变，增减小车重物改变其质量，测小车与砝码总质量M；接通电源释放小车，用纸带记录运动轨迹，取下纸带标号。小车上加放钩码，重复实验并标注号码。 (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。 探索新知——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 … 探索新知——探究加速度与力、质量的关系 2.数据分析： (1)a－F图像 探索新知——探究加速度与力、质量的关系 2.数据分析： (2)a－1/M图像 探索新知——探究加速度与力、质量的关系 探索新知——探究加速度与力、质量的关系 (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。 探索新知——实验结论 3.实验结论： 探索新知——误差分析 如果在小车质量一定的情况下，实验获得如下两种a-F图像，试分析可能什么原因造成的？ 探索新知——思考与讨论 4.误差分析： (1)a图线中，因为F≠0，a=0，所以可能是未平衡摩擦力或平衡摩擦力不够(斜面倾角偏小)。 (2)b图线中，因为F =0，a≠0，所以可能是平衡摩擦力过度(斜面倾角偏大)。 典例解析 【例1】如图1所示为“探究加速度与物体受力与质量的关系”实验装置图。图中A为小车，B为装有砝码的小桶，C为一端带有定滑轮的长木板，小车通过纸带与电火花打点计时器相连，计时器接50Hz交流电。小车的质量为，小桶（及砝码）的质量为。 (1)下列说法正确的是______ A．每次改变小车质量时，应重新平衡摩擦力 B．实验时应先释放小车后接通电源 C．本实验应远大于 D．在用图象探究加速度与质量关系时，应作图象 CD 典例解析 (2)实验时，某同学由于疏忽，遗漏了平衡摩擦力这一步骤，他测量得到的图象，可能是图2中的图线______。（选填“甲”、“乙”、“丙”） (3)如图3所示为一次记录小车运动情况的纸带，根据图中给出的数据可以算出______。（计算结果保留3位有效数字） 丙 4.01 典例解析 【答案】(1)CD (2)丙 (3)4.01 【详解】（1）A．平衡摩擦力时，根据可知质量被约去，故改变小车质量无需重新平衡，故A错误； B．实验时应先接通电源再释放小车，以保证打点稳定及有效利用纸带，故B错误； C．设绳中拉力为T，根据牛顿第二定律有，解得 为使得近似等于，应远大于，故C正确； D．由可知，与成正比，作图象为直线，便于分析，故D正确。故选CD。 （2）遗漏了平衡摩擦力这一步骤，则当拉力较小时，小车不会运动，加速度为0，只有当大于最大静摩擦力时，小车才有加速度，因此图像在轴上有截距，对应图线丙。 （3）由图可知，相邻计数点间的时间间隔 根据逐差法，加速度 典例解析 远大于 【例2】某同学设计了一个研究小车加速度a与小车所受合力F的关系的实验，用如图甲所示的实验装置验证，请回答下列问题。 (1)以小车为研究对象，为了便于探究、减小误差，应使小车质量M与砝码和砝码盘的总质量m满足M m（填“远大于”或“远小于”）； 典例解析 0.34 (2)实验中打出的纸带如图乙所示，相邻两计数点间还有四个点未画出，其中x1=3.09cm、x2=3.43cm、x3=3.77cm、x4=4.10cm、x5=4.44cm、x6=4.77cm，充分利用上述数据，由此可以算出小车运动的加速度大小为 ；（交流电频率为50Hz，计算结果保留2位有效数字） (3)通过实验得到如图①所示的图像，造成当M一定时，a与F不成正比的原因可能是：在平衡摩擦力时，木板与水平桌面的夹角 （填“偏大”或“偏小”）； (4)重新平衡摩擦力后，验证外力一定时，a与M的关系：通过多次实验，甲、乙两同学利用各自的数据得到的关系图像，分别如图②中甲、乙所示，该图像说明在甲、乙两同学做实验时， （填“甲”或“乙”）同学实验中绳子的拉力较小。 典例解析 偏小 乙 典例解析 【答案】(1)远大于 (2) 0.34 (3)偏小 (4)乙 【详解】（1）当，即砝码和盘的总质量远小于小车和小车上砝码的总质量时，砝码和盘的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力。所以为了便于探究、减小误差，应使小车质量M与砝码和盘的总质量m满足M远大于m的条件。 （2）根据题意可知，相邻计数点间还有四个点未出，则计数点间的时间间隔为 由逐差法，有解得 （3）由图①所示的图像可知，图像在横轴上有截距，当拉力F等于时，小车才产生加速度，说明小车受到的合力小于拉力，可能是平衡摩擦力不足，在平衡摩擦力时木板与水平桌面的夹角偏小造成的。 （4）由牛顿第二定律得可知图像的斜率则图像斜率越大绳子的拉力越大，由图②图像可知，乙同学实验中绳子的拉力较小。 课堂小结 探究加速度与力、质量的关系 方法 实验思路 关系 实验方案 数据分析 a与F成正比、a与M成反比 控制变量法 分别探究a与F的关系、a与M的关系 用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 课堂小结 课堂练习 课堂练习 C 1．“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，在作用力保持一定，验证物体加速度与质量成反比时，已知重力加速度为g，以下做法正确的是（     ） A．平衡摩擦力时，应将装砂的小桶用细绳通过定滑轮系在小车上，然后逐渐改变木板倾角使小车做匀速运动 B．实验时先释放小车，再接通打点计时器电源 C．每次在小车上增减砝码改变质量时，不需要重新平衡摩擦力 D．当时，小车的加速度可直接用公式求出（其中M为小车和砝码的总质量，m为装砂小桶和砂的总质量） 课堂练习 【答案】C 【详解】A．平衡摩擦是用小车自身重力沿斜面向下的分力平衡摩擦力，因此不能挂小桶，故A错误； B．由于小车加速度较大，打点时间很短，故应先接通电源再释放小车，故B错误； C．当增大小车上砝码时，小车重力沿斜面方向的分力与小车所受摩擦力成比例增大，故不须重新平衡摩擦力，故C正确； D．小车的加速度只能在纸带上求出，从而探究加速度与力、质量的关系，故D错误。 故选 C。 2．图a是“探究加速度与物体受力、物体质量的关系”实验装置图。甲、乙两名同学用该装置得到加速度a与拉力F的关系如图b所示。下列分析正确的是（    ） A．每次改变小车质量时，不用重新平衡摩擦力 B．实验时应先释放小车后接通电源 C．乙同学平衡了摩擦力 D．乙同学实验中长木板倾角过大 课堂练习 A 课堂练习 【答案】A 【详解】A．每次改变小车质量时，小车重力沿木板向下的分力与摩擦力同比例变化，仍然保持相等，故不用重新平衡摩擦力，故A正确； B．实验时应先接通电源后释放小车，故B错误； CD．由图b可知，F增大到一定值时小车乙才开始有沿木板向下的加速度，这是由于未平衡摩擦力或木板倾角偏小造成的，故CD错误。 故选A。 课堂练习 D 3．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，下列说法中正确的是（　　） A．平衡摩擦力时，小桶应用细线通过定滑轮系在小车上，但小桶内不能装砂 B．实验中无需始终保持小车和砝码的质量远远大于砂和小桶的质量 C．实验中如用纵坐标表示加速度，用横坐标表示小车和车内砝码的总质量，描出相应的点在一条直线上时，即可证明加速度与质量成反比 D．平衡摩擦力时，小车后面的纸带必须连好，因为运动过程中纸带也要受阻力 课堂练习 【答案】D 【详解】A．在验证牛顿第二定律实验中平衡摩擦力时，小车前不栓细线，不挂任何物体，故A错误； B．用砂和小桶的重力代替拉力，为了减小实验误差，实验中应始终保持小车和砝码的质量之和远大于砂和小桶的质量，故B错误； C．若实验中如用纵坐标表示加速度，用横坐标表示小车和车内砝码的总质量的倒数，描出的图像相应的点应在一条直线上，即可证明加速度与质量成反比，直接用a-m图像无法证明反比关系，故C错误； D．在验证牛顿第二定律实验中平衡摩擦力时，小车后面的纸带必须连好，因为运动过程中纸带也要受到阻力，故D正确。 故选D。 4．如图为探究小车加速度与所受合力关系的实验。两辆小车并排放在粗糙木板上，通过细绳跨过定滑轮各挂一个小盘，盘里放有砝码。打开夹子，小盘和砝码牵引小车运动一段时间后，合上夹子，两小车同时停止运动。下列说法正确的是（　　） A．实验前无需进行补偿阻力操作 B．实验中应使小车质量不同、砝码质量相同 C．实验中不必求出加速度具体值 D．实验中不必保证砝码盘及砝码的总质量远小于小车的质量 课堂练习 C 课堂练习 【答案】C 【详解】A．该实验中摩擦力会对加速度的测量造成干扰，需要平衡摩擦力，A错误； B．探究小车加速度与所受合力关系应使小车质量相同、砝码质量不同，B错误； C．本实验中可以通过位移和时间的关系间接比较加速度的大小，不必求出加速度具体值，C正确； D．实验中为使小车所受的拉力近似等于小盘和砝码的总重力应保证砝码盘及砝码的总质量远小于小车的质量，D错误； 故选C。 5．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，利用如图甲的装置。 (1)本实验采用的实验方法是（     ） A．控制变量法 B．假设法 C．理想实验法 D．等效替代法 (2)下列说法中正确的是（      ） A．在探究加速度与质量的关系时，应改变拉力的大小 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a与质量M的关系时，为了直观判断二者间的关系，应作出图像 D．当小车的质量远大于托盘和砝码的总质量时，才能近似认为细线对小车的拉力大小等于托盘和砝码的总重力大小 课堂练习 A CD 课堂练习 大于 (3)甲、乙同学用同一装置做实验，画出了各自得到的图线如图乙所示，两个同学做实验时甲的拉力______（填“大于”、“小于”或“等于”）乙的拉力。 课堂练习 【答案】(1)A (2)CD (3)大于 【详解】（1）该实验是探究加速度与力、质量的关系，研究三者关系时应保持其中一个物理量不变，研究另外两个物理量变化时的关系，是控制变量法。故选A。 （2）A．该实验采用的是控制变量法。若要研究加速度与质量的关系，应保持绳上拉力不变，故A错误； B．在探究加速度与外力的关系时，应该保证小车的质量不变，故B错误； C．在探究加速度a与质量M的关系时，为了直观地判断二者之间的关系，应该使图像为直线，根据牛顿第二定律应做的图像，故C正确； D．当小车的质量远大于托盘和砝码的总质量时，即时，。故D正确故选CD。 （3）根据牛顿第二定律，有可知的图像中斜率即为拉力，所以甲的拉力更大。 课后作业 作业 内容 同步作业 完成课后作业：“练习与应用” 自主安排 配套同步分层作业 谢谢聆听 谢谢聆听 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 $