2018-2019学年高中物理 第四章 牛顿运动定律 4.2 实验探究加速度与力、质量的关系课件1 新人教版必修1

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1、2实验:探究加速度与力、质量的关系【实验过程实验过程】一、实验步骤一、实验步骤1.1.用天平测出小车、重物用天平测出小车、重物(含小盘含小盘)的质量分别为的质量分别为m m0 0、M M0 0,并把数值记录下来。并把数值记录下来。2.2.按图将实验器材安装好按图将实验器材安装好(小车上不系绳小车上不系绳)。3.3.平衡摩擦力。在长木板无定滑轮的一端下面垫一薄平衡摩擦力。在长木板无定滑轮的一端下面垫一薄木板木板,反复移动其位置反复移动其位置,直到打点计时器正常工作后不直到打点计时器正常工作后不挂重物的小车在斜面上做匀速直线运动为止挂重物的小车在斜面上做匀速直线运动为止(纸带上相纸带上相邻点间距相

2、等邻点间距相等)。4.4.将重物通过细绳系在小车上将重物通过细绳系在小车上,接通电源放开小车接通电源放开小车,用用纸带记录小车的运动情况纸带记录小车的运动情况;取下纸带并在纸带上标上号取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂重物的质量码及此时所挂重物的质量M M0 0,计算出重物的重力计算出重物的重力M M0 0g g。5.5.保持小车的质量不变保持小车的质量不变,改变所挂重物的质量改变所挂重物的质量,从而改从而改变拉力变拉力,重复步骤重复步骤4,4,多做几次实验多做几次实验,并记录好相应重物并记录好相应重物的质量的质量,进而计算出重物的重力进而计算出重物的重力M M1 1g g、M M2 2g

3、g6.6.保持小车所受合外力不变保持小车所受合外力不变,在小车上加放砝码在小车上加放砝码,并测并测出小车与所放砝码的总质量出小车与所放砝码的总质量m m1 1,接通电源接通电源,放开小车放开小车,用用纸带记录小车的运动情况纸带记录小车的运动情况,取下纸带并在纸带上标上号取下纸带并在纸带上标上号码。码。7.7.继续在小车上加放砝码继续在小车上加放砝码,重复步骤重复步骤6,6,多做几次实验多做几次实验,在每次得到的纸带上标上号码并测出每次实验小车与在每次得到的纸带上标上号码并测出每次实验小车与所放砝码的总质量所放砝码的总质量m m2 2、m m3 38.8.在每条纸带上都选取一段比较理想的部分在每

4、条纸带上都选取一段比较理想的部分,标明计数标明计数点点,测量计数点之间的距离测量计数点之间的距离,算出每条纸带上加速度的算出每条纸带上加速度的值。值。结合步骤结合步骤5 5填写表一。填写表一。表一表一:物体的质量一定物体的质量一定,加速度与受力的关系加速度与受力的关系实验序号实验序号加速度加速度a/(ma/(ms s-2-2)小车受力小车受力F/NF/N1 12 23 34 4结合步骤结合步骤7 7填写表二。填写表二。表二表二:物体受到的合外力一定物体受到的合外力一定,加速度与质量的关系加速度与质量的关系实验实验序号序号加速度加速度a/(ma/(ms s-2-2)小车与砝码小车与砝码总质量总质

5、量m/kgm/kg小车与砝码总质量小车与砝码总质量的倒数的倒数 /kg/kg-1-11 12 23 34 41m二、数据处理二、数据处理本实验的数据处理可以采用计算法和图象法两种方法本实验的数据处理可以采用计算法和图象法两种方法:1.1.计算法计算法:测得加速度或加速度之比后测得加速度或加速度之比后,通过计算看看通过计算看看是否满足是否满足1122aFaF、1221amam。2.2.图象法图象法:(1)(1)物体的质量一定物体的质量一定,分析加速度与力的关系。分析加速度与力的关系。以以a a为纵坐标为纵坐标,以以F F为横坐标建立坐标系为横坐标建立坐标系,根据各组数据根据各组数据在坐标系中描点

6、在坐标系中描点,利用图象找规律利用图象找规律,如图所示。如果如图所示。如果a-a-F F图线是一条过原点的直线图线是一条过原点的直线,则可以得出结论则可以得出结论:质量不变质量不变时时,加速度与力成正比。加速度与力成正比。(2)(2)物体的受力一定物体的受力一定,分析加速度与质量的关系。分析加速度与质量的关系。“a a与与m m成反比成反比”实际上就是实际上就是“a a与与 成正比成正比”。以。以a a为为纵坐标纵坐标,以以 为横坐标建立坐标系为横坐标建立坐标系,如果如果a-a-图线是一图线是一条过原点的直线条过原点的直线,则可得出结论则可得出结论:物体受力一定时物体受力一定时,加速加速度与质

7、量成反比。度与质量成反比。1m1m1m【实验探究实验探究】1.1.小车下滑过程受哪些力的作用小车下滑过程受哪些力的作用?其合力等于砝码和盘其合力等于砝码和盘的重力吗的重力吗?提示提示:小车下滑过程中受到重力、绳的拉力、木板的支小车下滑过程中受到重力、绳的拉力、木板的支持力及摩擦力作用。在完全平衡摩擦力的前提下持力及摩擦力作用。在完全平衡摩擦力的前提下,小车小车受到的合力就等于绳的拉力。绳的拉力实际上小于砝码受到的合力就等于绳的拉力。绳的拉力实际上小于砝码和盘的重力和盘的重力,只有满足砝码和盘的总质量远小于小车的只有满足砝码和盘的总质量远小于小车的质量时质量时,才可认为绳的拉力近似等于砝码和盘的

8、重力。才可认为绳的拉力近似等于砝码和盘的重力。2.2.小车运动过程中要受到木板给它的摩擦力小车运动过程中要受到木板给它的摩擦力,怎样平衡怎样平衡这个摩擦力这个摩擦力?提示提示:将木板无定滑轮的一端稍微垫高一些将木板无定滑轮的一端稍微垫高一些,目的是用目的是用小车重力沿斜面向下的分力来平衡摩擦力。小车重力沿斜面向下的分力来平衡摩擦力。在木板无定滑轮的一端下面垫上一块薄木板在木板无定滑轮的一端下面垫上一块薄木板,反复移动反复移动薄木板的位置薄木板的位置,直到小车不挂重物时能在木板上匀速运直到小车不挂重物时能在木板上匀速运动为止。动为止。3.3.在探究加速度与力、质量的关系的实验中平衡了摩在探究加速

9、度与力、质量的关系的实验中平衡了摩擦力后擦力后,改变重物的质量改变重物的质量,或者改变小车的质量或者改变小车的质量,是否还是否还需要重新平衡摩擦力需要重新平衡摩擦力?提示提示:平衡摩擦力是指小车所受的重力沿斜面的分力与平衡摩擦力是指小车所受的重力沿斜面的分力与小车所受摩擦阻力大小相等小车所受摩擦阻力大小相等,即即mgsinmgsin=mgcosmgcos,等等式两边式两边m m可消去可消去,所以平衡摩擦力后所以平衡摩擦力后,不管是改变重物的不管是改变重物的质量还是改变小车的质量质量还是改变小车的质量,都不需重新平衡摩擦力。都不需重新平衡摩擦力。4.4.在探究加速度与外力间的关系时在探究加速度与

10、外力间的关系时,得到的图象如图中得到的图象如图中甲和乙所示甲和乙所示,则出现此种现象的原因是什么则出现此种现象的原因是什么?提示提示:甲图说明平衡摩擦力时甲图说明平衡摩擦力时,木板倾角过大了木板倾角过大了,即拉力即拉力F=0F=0时时,已产生加速度已产生加速度,此加速度是由小车重力的分力形此加速度是由小车重力的分力形成的。乙图说明平衡摩擦力不够或根本没有平衡摩擦成的。乙图说明平衡摩擦力不够或根本没有平衡摩擦力力,因为当拉力增大到一定程度时才产生加速度。因为当拉力增大到一定程度时才产生加速度。5.5.在分析在分析F F一定一定,a,a与与m m的关系时的关系时,为什么画为什么画a-a-图象而不图

11、象而不画画a a与与m m的图象的图象?提示提示:在实验中如果发现一个量在实验中如果发现一个量x x与另一个量与另一个量y y成反比成反比,那么那么,x,x就应与就应与 成正比。据此成正比。据此,我们可以将反比函数的我们可以将反比函数的曲线转化为正比函数的直线。因为在处理数据时曲线转化为正比函数的直线。因为在处理数据时,判断判断一条直线是否为正比函数图象一条直线是否为正比函数图象,比判断一条曲线是否为比判断一条曲线是否为反比函数图象要简单得多。反比函数图象要简单得多。1m1y类型类型1 1 实验原理及注意事项实验原理及注意事项【典例典例1 1】如图所示是某同学探究加速度与力、质量的如图所示是某

12、同学探究加速度与力、质量的关系时关系时,已接通电源正要释放纸带时的情况已接通电源正要释放纸带时的情况,请你指出请你指出该同学的五个差错。该同学的五个差错。(1)(1)电源电源_。(2)(2)电磁打点计时器位置电磁打点计时器位置_ _。(3)(3)滑轮位置滑轮位置_ _。(4)(4)小车位置小车位置_ _。(5)(5)长木板长木板_ _。【解析解析】探究加速度与力、质量的关系时探究加速度与力、质量的关系时,电磁打点计电磁打点计时器应使用低压时器应使用低压(6V)(6V)交流电源交流电源,且要固定在长木板无滑且要固定在长木板无滑轮的一端轮的一端,即应靠右端即应靠右端;释放纸带时小车应靠近打点计释放

13、纸带时小车应靠近打点计时器时器;连接小车的细线应保持与木板平行连接小车的细线应保持与木板平行,故应调节滑故应调节滑轮位置使拉线与木板平行轮位置使拉线与木板平行;实验时应平衡摩擦力实验时应平衡摩擦力,使小使小车所受重力沿斜面方向的分力与小车所受摩擦力平衡车所受重力沿斜面方向的分力与小车所受摩擦力平衡,故应垫高长木板右端平衡摩擦力。故应垫高长木板右端平衡摩擦力。答案答案:(1)(1)应用应用6V6V交流电源交流电源(2)(2)应靠右端应靠右端(3)(3)应使拉应使拉线与木板平行线与木板平行(4)(4)应靠近打点计时器应靠近打点计时器(5)(5)应垫高右应垫高右端平衡摩擦力端平衡摩擦力类型类型2 2

14、 实验数据的处理实验数据的处理【典例典例2 2】(2017(2017绍兴高一检测绍兴高一检测)在做在做“探究加速度与探究加速度与力、质量的关系力、质量的关系”的实验时的实验时,计算出各纸带的加速度后计算出各纸带的加速度后,将测得的反映加速度将测得的反映加速度a a和和F F关系的有关数据记录在表关系的有关数据记录在表1 1中中,将测得的反映加速度将测得的反映加速度a a和质量和质量M M关系的有关数据记录在关系的有关数据记录在表表2 2中。中。表表1 1表表2 2a/ma/ms s-2-21.981.984.064.065.955.958.128.12F/NF/N1.001.002.002.0

15、03.003.004.004.00a/ma/ms s-2-22.042.042.662.663.233.233.983.98 /(kg /(kg-1-1)0.500.500.670.670.800.801.001.001M(1)(1)根据表中所列数据根据表中所列数据,分别画出分别画出a-Fa-F和和a-a-图象。图象。1M(2)(2)从图象可以判定从图象可以判定:当当M M一定时一定时,a,a与与F F的关系为的关系为_;_;当当F F一定时一定时,a,a与与M M的关系为的关系为_。(3)(3)由由a-Fa-F图象可知图象可知M=_M=_。(4)(4)由由a-a-图象可知图象可知,F=_,F

16、=_。(保留一位有效数保留一位有效数字字)1M【解析解析】(1)(1)描点连线描点连线,得得a-Fa-F、a-a-图象如图甲和图图象如图甲和图乙所示。乙所示。1M(2)(2)从图象可以看出从图象可以看出,当当M M一定时一定时,a,a与与F F成正比例关系成正比例关系;当当F F一定时一定时,a,a与与M M成反比例关系。成反比例关系。(3)(3)由由a-Fa-F图象可知图象可知,M,M为图线的斜率的倒数为图线的斜率的倒数,则则M=0.5kgM=0.5kg。(4)(4)由由a-a-图象可知图象可知,F,F为图线的斜率为图线的斜率,则则F=4NF=4N。答案答案:(1)(1)图见解析图见解析(2

17、)(2)正比例关系反比例关系正比例关系反比例关系(3)0.5kg(3)0.5kg(4)4N(4)4N1M【类型类型】实验创新设计实验创新设计【典例典例】某同学设计了如图所示的装置来探究加速度某同学设计了如图所示的装置来探究加速度与力的关系。与力的关系。弹簧测力计固定在一合适的木板上弹簧测力计固定在一合适的木板上,桌面的右边缘固定桌面的右边缘固定一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮一支表面光滑的铅笔以代替定滑轮,细绳的两端分别与细绳的两端分别与弹簧测力计的挂钩和矿泉水瓶连接。在桌面上画出两弹簧测力计的挂钩和矿泉水瓶连接。在桌面上画出两条平行线条平行线MNMN、PQ,PQ,并测出间距并测出间距d d。开

18、始时将木板置于。开始时将木板置于MNMN处处,现缓慢向瓶中加水现缓慢向瓶中加水,直到木板刚刚开始运动为止直到木板刚刚开始运动为止,记记下弹簧测力计的示数下弹簧测力计的示数F F0 0,以此表示滑动摩擦力的大小。以此表示滑动摩擦力的大小。再将木板放回原处并按住再将木板放回原处并按住,继续向瓶中加水后继续向瓶中加水后,记下弹记下弹簧测力计的示数簧测力计的示数F F1 1,然后释放木板然后释放木板,并用停表记下木板并用停表记下木板运动到运动到PQPQ处的时间处的时间t t。(1)(1)木板的加速度可以用木板的加速度可以用d d、t t表示为表示为a=_;a=_;为了为了减小测量加速度的偶然误差减小测

19、量加速度的偶然误差,可以采用的方法是可以采用的方法是_(_(写一种即可写一种即可)。(2)(2)改变瓶中水的质量重复实验改变瓶中水的质量重复实验,确定加速度确定加速度a a与弹簧测与弹簧测力计示数力计示数F F1 1的关系。下列图象中能表示该同学实验结的关系。下列图象中能表示该同学实验结果的是果的是_。(3)(3)用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比用加水的方法改变拉力的大小与挂钩码的方法相比,它的优点是它的优点是_。a.a.可以改变滑动摩擦力的大小可以改变滑动摩擦力的大小b.b.可以更方便地获取多组实验数据可以更方便地获取多组实验数据c.c.可以比较精确地测出摩擦力的大小可以比较精确

20、地测出摩擦力的大小d.d.可以获得更大的加速度以提高实验精度可以获得更大的加速度以提高实验精度【解析解析】(1)(1)木板由静止开始做匀加速运动木板由静止开始做匀加速运动,有有d=atd=at2 2解得解得a=a=(2)(2)木板所受的合外力为木板所受的合外力为F F1 1-F-F0 0,因此因此F F1 1-F-F0 0与加速度与加速度a a成成正比正比;此实验要求水的质量必须远小于木板的质量此实验要求水的质量必须远小于木板的质量,当当矿泉水瓶中水的质量逐渐增大到一定量后矿泉水瓶中水的质量逐渐增大到一定量后,图象将向下图象将向下弯曲弯曲,所以能够表示该同学实验结果的图象是图所以能够表示该同学实验结果的图象是图C C。1222dt。(3)(3)由于水的质量可以几乎连续变化由于水的质量可以几乎连续变化,所以可以比较精所以可以比较精确地测出摩擦力的大小确地测出摩擦力的大小,可以方便地获取多组实验数据可以方便地获取多组实验数据,故选项故选项b b、c c正确。正确。答案答案:(1)(1)保持保持F F1 1不变不变,重复实验重复实验,多次测量多次测量,求平求平均值均值(2)C(2)C(3)b(3)b、c c 22dt