高中物理人教版 (2019)必修 第一册2 实验：探究加速度与力、质量的关系多媒体教学ppt课件

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基础落实·必备知识全过关
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一、实验思路——控制变量法1.探究加速度与力的关系保持小车　　　　不变,通过改变　　 　　改变小车所受的拉力。测得不同拉力下小车运动的加速度,分析加速度与　　　　的变化情况,找出二者之间的定量关系。 2.探究加速度与质量的关系保持小车所受的　　　　不变,通过在小车上　　　　改变小车的质量。测得不同质量的小车在这个拉力下运动的加速度,分析加速度与_______　　　　的变化情况,找出二者之间的定量关系。 
二、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:将打点计时器的纸带连在小车上,根据纸带上打出的点测量加速度。(3)方法3:不直接测量加速度的具体数值,测量不同情况下物体加速度的比值即可。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　　　　的测量。 
3.力的测量在阻力得到补偿的情况下,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所受的　　　　。 (2)使用力传感器可以直接测量　　　　的大小,不需要使槽码的质量远小于小车的质量。 三、实验器材小车、砝码、槽码、细线、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、交流电源、纸带、天平、　　　　。 
四、进行实验(以参考案例1为例)1.用　　　　测出小车的质量m,并把数值记录下来。 2.按如图所示的装置把实验器材安装好(先不把悬挂槽码的细线系在小车上)。
3.平衡阻力:在长木板不带定滑轮的一端下面垫上垫木,反复移动垫木的位置,直到小车在不受牵引时能拖动纸带沿木板　　　　　运动。 4.把细线绕过定滑轮系在小车上,另一端挂上槽码。让小车靠近打点计时器,先接通电源,再释放小车,打出一条纸带。处理纸带,测出加速度。
5.保持小车　　　　不变,改变槽码的个数,以改变小车所受的拉力,重复步骤4,多做几次,把数据记录在表1中。 表1　小车质量一定
6.保持槽码个数不变,即保持小车受的　　　　不变,通过增减小车中的重物改变小车的质量,重复步骤4,多做几次,把数据记录在表2中。 表2　小车所受的拉力一定
五、数据分析1.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、拉力F为横坐标建立直角坐标系,根据测量数据描点,作出a-F图像。若图像是一条过原点的倾斜直线,就能说明加速度a与拉力F成　　　　。 2.分析加速度a与质量m的定量关系
3.实验结论(1)保持物体质量不变时,物体的加速度a与所受拉力F成　　　　。 (2)保持拉力F不变时,物体的加速度a与质量m成　　　　。 
易错辨析(1)探究加速度与力、质量的关系的实验,研究的是物体所受的某一个力与物体加速度的关系。(　　)(2)实验假设应该从最简单的情况进行猜想。(　　)(3)实验中作直线拟合的方法是让每个点都要在一条直线上。(　　)
研究的是物体所受的合力与加速度的关系,而非某一个力。
先检验最简单的假设,如果不成立,再检验其他复杂的猜想。
作直线拟合的方法是使较多的点在一条直线上,其他不在直线上的点均匀分布在线的两侧。
(4)多次进行实验,得到的结论一定是准确的。(　　)
多次实验得到的结论仍然具有猜想和推断的性质,只有根据这些结论推导出的很多新结果与事实一致时,这样的结论才真正正确。
探究点一　实验原理与操作
实验注意事项1.平衡阻力:在平衡阻力时,不要把悬挂重物的细线系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,且要让小车拖着纸带匀速运动。2.不重复平衡阻力:整个实验平衡阻力后,不管以后是改变槽码总质量还是改变小车和砝码的总质量,都不需要重新平衡阻力。3.实验条件:每条纸带都必须在满足小车的质量远大于槽码的总质量的条件下打出。只有如此,槽码的总重力才可视为小车受到的拉力。
4.一先一后一按住:改变拉力和小车质量后,每次开始时小车应尽量靠近打点计时器,并应先接通电源,再放开小车,且应在小车到达定滑轮前按住小车。5.作图:作图时,两坐标轴的比例要适当,要使尽可能多的点落在所作直线上,不在直线上的点应尽可能对称地分布在所作直线两侧。离直线较远的点是错误数据,应舍去不予考虑。特别提示　实验操作过程中,可以用气垫导轨替代长木板,不用平衡阻力;可以利用传感器测量作用在小车上的力,避免对槽码质量的限制。
【例1】 在研究拉力F一定时,小车的加速度a与小车(含砝码)质量m的关系的实验中,某同学安装的实验装置和设计的实验步骤如下:A.用天平称出小车和槽码的质量B.按图安装好实验器材C.把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂槽码
D.将电磁打点计时器接在电压为6 V的蓄电池上,接通电源,释放小车,电磁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.保持槽码的质量不变,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关系图像,并由图像确定a与m的关系(1)请改正实验装置图中的错误。①电磁打点计时器位置　 ; ②小车位置　 ; ③滑轮位置　 。 
(2)该同学漏掉的重要实验步骤是　　　　,该步骤应排在步骤　　之后。(3)在上述步骤中,有错误的是步骤　　　,应把______________________　　　　　　　　　　　改为　　　　　　　　　　　。 (4)在上述步骤中,处理不恰当的是步骤　　　　,应把________________　　　　　　　　　　　改为　　　　　　　　　。 
电压为6 V的蓄电池　
约为8 V 的交变电源
作a- 关系图像
解析 (1)①电磁打点计时器应固定在长木板无滑轮的一端,即应靠右端;②释放小车时,小车应靠近打点计时器;③连接小车的细绳应平行于木板,故应调节滑轮位置使细绳平行于木板。(2)实验时应补偿阻力,使小车所受重力沿木板方向的分力与小车所受摩擦力平衡,故应垫高长木板右端以平衡摩擦力。实验中把槽码的重力看成与小车所受拉力大小相等,没有考虑摩擦力,故必须补偿阻力且应排在步骤B之后。(3)步骤D中电磁打点计时器接在电压为6 V的蓄电池上将无法工作,必须接在约为8 V的交变电源上。(4)步骤G中作a-m关系图像,得到的是曲线,很难进行正确的判断,必须“化曲为直”,改作a- 关系图像。
方法技巧　实验原理及用到的物理方法
对点演练1.(2023北京房山高一期末)采用如图所示的装置进行探究加速度与物体受力、物体质量的关系的实验。
(1)要研究加速度a与物体受力F的关系,采用控制变量法,应该保持　　　　的质量不变。 
(2)正确操作实验和处理数据,得到如图所示的a-F图像。由图像可以得到的实验结论是　 。 
(3)实验中,要平衡小车运动的摩擦阻力,请叙述平衡摩擦力的正确操作方法    　。 
在物体的质量一定时,物体的加速度与所受的合力成正比。
小车轻放在木板上,后面固定一条纸带,纸带穿过打点计时器,把木板靠近打点计时器的一端适当垫高,形成斜面,调节木板的倾斜程度,使小车在不受绳的拉力时能拖动纸带沿木板做匀速直线运动(纸带上两点的距离相等)。
解析 (1)采用控制变量法研究加速度a与物体受力F的关系,应该保持小车的质量不变。(2)由图像可以得到的实验结论是:在物体的质量一定时,物体的加速度与所受的合力成正比。(3)平衡摩擦力的正确操作方法是:小车轻放在木板上,后面固定一条纸带,纸带穿过打点计时器,把木板靠近打点计时器的一端适当垫高,形成斜面,调节木板的倾斜程度,使小车在不受绳的拉力时能拖动纸带沿木板做匀速直线运动(纸带上两点的距离相等)。
探究点二　数据处理与误差分析
1.数据处理(1)计算加速度——先在纸带上标明计数点,测量各计数点间的距离,根据逐差法计算各条纸带对应的加速度。(2)作图像找关系——根据记录的各组对应的加速度a与小车所受牵引力F,建立直角坐标系,描点画a-F图像,如果图像是一条过原点的倾斜直线,便证明加速度与所受作用力成正比。再根据记录的各组对应的加速度a与小车和砝码总质量m,建立直角坐标系,描点画a- 图像,如果图像是一条过原点的倾斜直线,就证明了加速度与质量成反比。
【例2】 某小组用图甲所示实验装置完成探究加速度与力、质量的关系的实验,图中小车的质量为m,钩码的质量为m0。(1)(多选)下列说法正确的是　　　　。 A.先释放小车,再接通电源B.钩码的质量应远小于小车的质量C.每次改变小车质量时,需要重新平衡摩擦力D.用图像探究小车加速度与质量的关系时,作a- 图像更形象直观
(2)将打点计时器接到频率为50 Hz的交变电源上,某一次记录小车运动情况的纸带,如图乙所示,则小车的加速度大小a=　　　 m/s2,打下B点时小车的速度大小v=　　　　 m/s。(结果保留2位有效数字) 
(3)多次测量并作出小车加速度a与小钩码重力F的图像如图丙所示,则小车的质量m=　　　　 kg(结果保留2位有效数字)。 
丙(4)图丙中的a-F图像在纵轴上有截距,出现这一情况的原因是　 。 
平衡摩擦力过度(或长木板的倾角偏大)
解析 (1)为使纸带上有足够多的数据点,应该先接通电源,再释放小车,故A错误;用钩码的重力充当细绳的拉力时,钩码的质量应远小于小车的质量,故B正确;改变小车质量不影响木板倾斜度,重力的下滑分力仍然和摩擦力相等,不需要再平衡摩擦力,故C错误;小车的加速度与质量成反比,所以作a- 图像更形象直观,故D正确。(2)根据逐差法可得
(4)由题图可知,拉力为零时小车就已经有加速度,故原因是平衡摩擦力过度(或长木板的倾角偏大)。
方法技巧　分析纸带类问题的思路(1)瞬时速度的求法:根据匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度等于这段位移的平均速度,求解某点的瞬时速度。(2)加速度的求法:根据逐差法,即Δx=aT2,求解小车的加速度。(3)寻找两物理量的关系:①计算法:根据测得的加速度之间的关系,判断是否满足 的关系。②图像法:作关于a-F的图像,看是否成一条直线,根据图像得出结论;作a-m图像得出曲线,不易判断二者之间的关系,将其转化成a- 图像,看是否为直线,根据图像得出结论。
对点演练2.(2023天津南开区期中)某实验小组利用如图所示的装置进行探究加速度与合外力的关系的实验。(1)为了减小误差,在平衡摩擦力后,每次实验必须通过改变钩码的个数来改变小车所受合外力,获取多组数据。若小车质量为400 g,实验中每次所用的钩码总质量范围应选　　　　会比较合理。(填选项前的字母) A.10~40 gB.200~400 gC.1 000~2 000 g
(2)实验中打点计时器所使用的电源频率为50 Hz,图中给出的是实验中获取的纸带的一部分,1、2、3、4、5是选取的计数点,每相邻两计数点间还有4个计时点未标出,由该纸带可求得小车的加速度a=　　　　 m/s2。(结果保留3位有效数字) 
解析 (1)本实验要求钩码的质量远小于小车的质量,因此要求实验中每次所用的钩码总质量范围要小,故B、C错误,A正确。(2)因为电源的频率为50 Hz,则点与点之间的时间间隔为0.02 s,因每相邻两计数点间还有4个计时点未标出,所以每两个计数点间的时间间隔是0.02×5 s=0.1 s,根据匀变速直线运动的推论公式Δx=aT2可以求出加速度
本实验四个方面的创新点
【例3】 做探究加速度与力、质量的关系实验时,某实验小组采用如图甲所示的实验装置。实验小组在长木板上B点处安装了一个光电门,在小车上固定一遮光条,宽度为d,一端连着小车的细线另一端绕过定滑轮与力传感器相连,力传感器下方悬挂槽码。
(1)下列实验操作和要求必要的是　　　　(选填选项前的字母); A.该实验操作前要补偿阻力B.该实验操作前不需要补偿阻力C.应使A位置与光电门之间的距离适当大些D.应使小车质量远大于槽码和力传感器的总质量(2)实验时,在力传感器下端挂上槽码,另一端通过细线连接小车。调节长木板上定滑轮的高度,使牵引小车的细线与长木板平行。将小车从长木板上的A点处由静止释放,读出遮光条通过B点处光电门的时间t和力传感器示数F,用毫米刻度尺量出小车释放点A到B点处光电门的距离L,根据以上测量数据计算得出加速度的表达式为　　　　　　　(用题中测量的物理量字母表示); 
(3)保持小车的质量不变,通过增加槽码的个数来改变小车所受合力的大小,重复实验几次,记录多组实验数据。(4)实验小组根据记录的多组F的实验数据和计算得到的加速度a的数值,画出了如图乙所示的a-F图像。图像不过原点的主要原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　,为了使实验结果更准确,需要把甲图中的垫块向　　　　(选填“右”或“左”)移动。 
补偿阻力时,长木板倾角偏小
解析 (1)小车运动过程中,受细绳的拉力FT和长木板及纸带限位孔等的阻力Ff,其合力为FT-Ff,由于阻力不可测量,则其合力不可测量,因此实验操作前要补偿阻力,此时合力为FT,可由力传感器直接得到,不需要小车质量远大于槽码和力传感器的总质量,选项A正确,B、D错误;为了减小测量A、B间距离和B点速度时的误差,应使A位置与光电门之间的距离适当大些,选项C正确。(2)根据匀变速直线运动的规律可知, 。(4)由a-F图像可知,a=0时,F>0,即挂一定槽码时,小车加速度为零,所以长木板的倾角过小,小车重力沿板的分力小于阻力。为了增大倾角,可将垫块右移适当距离。
对点演练3.(2023湖南衡阳高一期末)图甲为某同学所安装的探究加速度与力、质量的关系的实验装置。
(1)实验中,为了使小车(其质量为m0)受到的合外力等于砝码和砝码盘的总重力(砝码和砝码盘的总质量为m),通常采用的措施是:①　　　　　　　　　　　　　　　　; ②　　　　　　　　　　　　　　　　。 
(2)另一位同学设计了如图乙所示的实验装置,通过改变重物的质量,利用计算机可得滑块运动的加速度a和力传感器示数F的关系图像。他在轨道水平和倾斜的两种情况下分别做了实验,得到了两条a-F图线,如图丙所示。
①此实验装置　　　　(选填“需要”或“不需要”)滑块与位移传感器发射部分总质量远大于重物和力传感器的总质量; ②图线　　(选填“①”或“②”)是在轨道左侧抬高成为斜面情况下得到的; ③滑块和轨道间的动摩擦因数μ=　　　　。(重力加速度g取10 m/s2) 
解析 (1)平衡摩擦力目的是使小车所受的合外力等于绳子的拉力;满足m≪m0的目的是使绳子的拉力基本等于砝码和砝码盘的总重力。(2)①由力传感器可直接测出绳子的拉力,因此不需要满足滑块与位移传感器发射部分总质量远大于重物和力传感器的总质量;②图线①中当拉力为0时,滑块就产生了加速度,说明是轨道左侧被抬高得到的;③在a-F图像中,斜率的倒数等于滑块的质量,可知滑块的质量m块= =0.5 kg,由图线②可知,滑块所受的摩擦力Ff=1 N,根据Ff=μFN=μm块g,可得动摩擦因数μ=0.2。
1.(实验原理与操作)(2023安徽学业水平考试)某同学用如图所示的装置做探究加速度与力、质量的关系的实验。(1)本实验中,需要选择的器材是　　　　。 A.秒表　　 B.天平C.电压表D.电流表(2)关于本实验,下列说法正确的是　 。 A.实验时,应该使用直流电源B.拉小车的细线没有必要与长木板平行C.研究加速度与质量的关系时,应保持作用在小车上的力不变,测量其在不同质量下的加速度
解析 (1)由于打点计时器通过所打点记录了物体运动时间,因此不需要秒表,故A选项错误;实验中处理数据时,需要测量小砝码和小车的质量,需要天平,故B选项正确;实验中处理数据时不需要知道电压和电流大小,不需要电压表和电流表,故C、D错误。(2)实验中使用的打点计时器使用交流电源,故A选项错误;实验中拉小车的细线必须与长木板平行,这样平衡摩擦后小车受到的合力等于细线的拉力,若细线与长木板不平行,则细线的拉力在其他方向有分力,这样小车受到的合力不等于细线的拉力,不便于研究加速度与力、质量的关系,故B选项错误;当研究加速度与质量的关系时,采用控制变量法,应保持小车所受的作用力不变,改变小车质量来进行实验,这样才能有效得出加速度与质量的关系,故C正确。
2.(数据处理与误差分析)(2023浙江杭州高一期末)某同学用如图甲所示装置探究小车加速度与小车所受合外力以及小车质量的关系。(1)图甲为补偿阻力的实验操作:将长木板一端垫高,用槽码拉动小车,使它恰好能拖动纸带做匀速直线运动。该操作存在的问题是_______________________________________________________________(写出一种即可)。 
不应该用槽码拉动小车,而应取下槽码轻推小车使其恰好做匀速直线运动
(2)该同学使用的是电火花计时器,应选用的电源是　　　　(选填“A”“B”或“C”)。 
(3)图乙为某次实验得到的纸带,两计数点间还有4个点未画出,实验所用电源频率为50 Hz,部分实验数据如图所示,C点速度大小为　　　　 m/s,加速度大小为　　　　 m/s2。(计算结果均保留两位有效数字) 
解析 (1)补偿阻力时,不应该用槽码拉动小车,而应取下槽码轻推小车使其恰好做匀速直线运动。(2)电火花计时器应选用220 V的交流电源,即为C。(3)两计数点间还有4个点未画出,则相邻计数点时间间隔为0.1 s,C点速度
3.(实验的创新设计)(2023陕西榆林高一期末)用如图甲所示的装置研究小车(含拉力传感器)质量一定时,加速度与合力的关系。实验步骤如下:①细绳一端绕在电动机上,另一端系在拉力传感器上,将小车放在长板的P位置,调整细绳与长板平行,启动电动机,使小车沿长板向下做匀速运动,记录此时拉力传感器的示数F0;②撤去细绳,让小车从P位置由静止开始下滑,设小车受到的合力为F,通过计算机可得到小车与位移传感器的距离随时间变化的x-t图像,并求出小车的加速度a;
③改变长板的倾角,重复步骤①②可得多组F、a数据。
完成下列相关实验内容:(1)在步骤①②中,F　　　　(选填“=”“>”或“<”)F0; (2)本实验　　　　(选填“需要”或“不需要”)平衡小车受到的摩擦力; (3)某段时间内小车的x-t图像如图乙所示,根据图像可得小车的加速度大小为　　　　　　 m/s2(结果保留三位有效数字); (4)分析多组F、a数据可知:在误差允许范围内,小车的质量一定时,小车的加速度与合力成正比。