高中物理实验：探究加速度与力、质量的关系

目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系高中物理·必修1·人教版第四章牛顿运动定律2实验：探究加速度与力、质量的关系目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系目标定位2会用图象表示加速度与质量、加速度与力之间的关系．1学会用“控制变量法”探究加速度与力、质量的定量关系.目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系1．实验器材2．实验原理：实验的基本思想——控制变量法预习导学[想一想]：实验中小车的加速度怎样得到？答案通过打点计时器打出纸带，利用逐差法计算出小车的加速度.交流电源、刻度尺、天平(1)质量作用力(2)作用力质量目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系一、实验方案的设计课堂讲义1．三个物理量的测量方法——体会近似法点研究对象：放在“光滑”“水平面”上的小车(1)小车质量的测量：利用天平测出，在小车上增减砝码可改变小车的质量．(2)拉力的测量：当小桶和砂的质量远小于小车质量的情况下，可以认为小桶和砂的重力近似等于小车所受的拉力(合外力)，即F≈mg.(3)加速度的测量：由纸带根据公式Δx＝aT2，结合逐差法计算出小车的加速度．目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系课堂讲义2．实验数据的处理方法——图象法、“化曲为直”法(1)研究加速度a和力F的关系以加速度a为纵坐标，以力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出图象如图4－2－2所示，若图象是一条通过原点的直线，就能说明a与F成正比．图4－2－2目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系我们采取“化曲为直”的方法，以a为纵坐标，以1m为横坐标，作出a－1m图象，若a－1m图象是一条直线，说明a与1m成正比，即a与m成反比．课堂讲义(2)研究加速度a与质量m的关系如图4－2－3所示，因为a－m图象是曲线，检查a－m图象是不是双曲线，就能判断它们之间是不是反比例关系，但检查这条曲线是不是双曲线，相当困难．图4－2－3目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系二、实验步骤课堂讲义1．用天平测出小车的质量M，并把数值记录下来．2．按图4－2－4所示的装置把实验器材安装好(小车上先不系绳)．3．平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块，反复移动木块位置，直到轻推小车在斜面上运动时可保持匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等)．目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系课堂讲义4．在小桶里放入适量的砂，通过细绳系在小车上，在小车上加放适量的砝码，用天平测出小桶和砂的质量m，记录下来．接通电源，放开小车，待打点计时器在纸带上打好点后取下纸带，并设计表格如下.次数123456小车加速度a/(m·s－2)砂和小桶的质量m/kg拉力F/N5.保持小车的质量不变，改变砂和小桶的质量，按步骤4再做5次实验．6．在每条纸带上选取一段比较理想的部分，算出每条纸带对应的加速度的值，填入表格中．目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系课堂讲义8．保持砂和小桶的质量不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，并设计表格如下．根据实验结果画出小车运动的a－1M图象，从而得出a－M的关系．次数123456小车加速度a/(m·s－2)小车质量M/kg1/M/kg－19.整理实验器材，结束实验7．用纵坐标表示加速度，横坐标表示作用力，根据实验结果画出小车运动的a－F图象，从而得出a－F的关系．目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系2．为减小长度测量时的偶然误差，可进行多次测量取平均值．1．托盘和砝码的总重力约等于小车所受的合外力，但会带来一定的误差．小车的质量与砂桶和砂的总质量相差越大，这种误差越小．三、误差分析3.没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不好，实验中作出的a－F或a－1M图象不过原点.目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系课堂讲义四、注意事项1．实验中小车靠近打点计时器且应先接通电源后释放小车．2．在平衡摩擦力时，不要悬挂小桶，但小车应连着纸带且接通电源．用手轻轻地给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点的间隔均匀，表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡．3．改变砂的质量过程中，要始终保证砂桶(包括砂)的质量远小于小车的质量．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对称分布在直线的两侧，但若遇到个别偏离较远的点可舍去．目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系课堂讲义【例1】用如图4－2－5所示的装置研究在作用力F一定时，小车的加速度a与小车质量M的关系，某位同学设计的实验步骤如下：A．用天平称出小车和小桶及内部所装砂子的质量；B．按图装好实验器材；C．把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砂桶；D．将电磁打点计时器接在6V电压的蓄电池上，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，并在纸带上标明小车质量；E．保持小桶及其中砂子的质量不变，增加小车上的砝码个数，并记录每次增加后的M值，重复上述实验；F．分析每条纸带，测量并计算出加速度的值；G．作a－M关系图象，并由图象确定a－M关系．(1)该同学漏掉的重要实验步骤是________，该步骤应排在________步实验之后．(2)在上述步骤中，有错误的是________，应把________改为________．(3)在上述步骤中，处理不恰当的是________，应把________改为________．图4－2－5目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系课堂讲义A．用天平称出小车和小桶及内部所装砂子的质量；B．按图装好实验器材；C．把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砂桶；D．将电磁打点计时器接在6V电压的蓄电池上，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，并在纸带上标明小车质量；E．保持小桶及其中砂子的质量不变，增加小车上的砝码个数，并记录每次增加后的M值，重复上述实验；F．分析每条纸带，测量并计算出加速度的值；G．作a－M关系图象，并由图象确定a－M关系．必须平衡摩擦力交流电目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系【例1】用如图4－2－5所示的装置研究在作用力F一定时，小车的加速度a与小车质量M的关系，某位同学设计的实验步骤如下：A．用天平称出小车和小桶及内部所装砂子的质量；B．按图装好实验器材；C．把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砂桶；D．将电磁打点计时器接在6V电压的蓄电池上，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，并在纸带上标明小车质量；E．保持小桶及其中砂子的质量不变，增加小车上的砝码个数，并记录每次增加后的M值，重复上述实验；F．分析每条纸带，测量并计算出加速度的值；G．作a－M关系图象，并由图象确定a－M关系．(1)该同学漏掉的重要实验步骤是__________，该步骤应排在____步实验之后．(2)在上述步骤中，有错误的是________，应把____________________________改为___________________________________________．(3)在上述步骤中，处理不恰当的是________，应把________改为________．课堂讲义图4－2－5平衡摩擦力B步骤D6V电压的蓄电池6V以下交流电压的学生电源步骤Ga－Ma－1M目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系课堂讲义解题发挥平衡摩擦力的方法：将不带定滑轮的一端适当垫高，在不挂托盘情况下，使小车带动着纸带(打点计时器打点时)，沿长木板恰好做匀速直线运动．目的：使托盘与砝码的重力等于小车受到的合力．目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系课堂讲义【例2】在“探究加速度与力、质量的关系”活动中，某小组设计了如图4－2－6所示的实验装置．图中上下两层水平轨道表面光滑，两小车前端系上细线，细线跨过滑轮并挂上砝码盘，两小车尾部细线连到控制装置上，实验时通过控制装置使两小车同时开始运动，然后同时停止．(1)在安装实验装置时，应调整滑轮的高度，使______________________；为减小系统误差，应使砝码盘和砝码的总质量________(选填“远大于”“远小于”或“等于”)小车的质量．(2)本实验通过比较两小车的位移来比较小车加速度的大小，能这样比较，是因为_______________________________图4－2－6平行细线与轨道平行(或水平)远小于整体：amMmg)(小车：MaFmMmgMgFmMm时，当两小车从静止开始做匀加速直线运动，运动时间相等目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系课堂讲义(3)实验中获得数据如下表所示：小车Ⅰ、Ⅱ的质量均为200g.在第1次实验中小车Ⅰ从A点运动到B点的位移如图4－2－7所示，请将测量结果填到表中空格处．通过分析，可知表中第____次实验数据存在明显错误，应舍弃．实验次数小车拉力F/N位移x/cmⅠ0.11Ⅱ0.246.51Ⅰ0.229.042Ⅱ0.343.63Ⅰ0.341.163Ⅱ0.444.80Ⅰ0.436.434Ⅱ0.545.56图4－2－70.50cm23.86cm23.36对比数据3目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系3．注意：课堂讲义(1)牛顿第一定律所描述的是物体不受外力作用时的状态，与物体所受合外力为零是等效的．(2)牛顿第一定律不是实验定律，它是在理想实验的基础上总结得出的．目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系【例3】“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图4－2－8甲所示．(1)在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中，打出了一条纸带如图4－2－8乙所示．计时器打点的时间间隔为0.02s．从比较清晰的点起，每5个点取一个计数点，量出相邻计数点之间的距离．该小车的加速度大小a＝________m/s2.(结果保留两位有效数字)课堂讲义图4－2－8T＝0.1sx1＝3.52cmx2＝3.68cmx3＝3.83cmx2－x1＝a1T2x3－x2＝a2T2a＝a1＋a22=x3－x12T2＝0.16m/s20.16目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系(2)平衡摩擦力后，将5个相同的砝码都放在小车上．挂上砝码盘，然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中，测量小车的加速度．小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如下表：请根据实验数据在图4－2－9中作出a－F的关系图象．(3)根据提供的实验数据作出的a－F图线不通过原点，请说明主要原因．课堂讲义图4－2－9砝码盘中砝码总重力F/N0.1960.3920.5880.7840.980加速度a/(m·s－2)0.691.181.662.182.70砝码盘的重力为F0FMMFMFFa100截距0.40.81.21.02.03.0·····目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系课堂讲义借题发挥实验中作出的a－F图象有时不过原点．主要原因是：实验中没有考虑砝码托盘的质量，误将砝码的重力等于拉力F，或是平衡摩擦力时垫得太高了，会出现图象甲的情况；FMMFMFFa100砝码托盘的重力或平衡摩擦过度的力实验中没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不充分，会出现图象乙的情况．FMMfMfFa1摩擦力或平衡摩擦不足部分目标定位预习导学课堂讲义对点练习实验：探究加速度与力、质量的关系在探究加速度与力、质量的关系实验中，小车及车中砝码的质量用M表示，盘及盘中砝码的质量用m表示，小车的加速度可由小车后拖动的纸带打上的点计算出．(1)当M与m的大小关系满足________时，才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘及盘中砝码