人教版 (2019)必修 第一册2 实验：探究加速度与力、质量的关系备课课件ppt

这是一份人教版 (2019)必修 第一册2 实验：探究加速度与力、质量的关系备课课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了实验探究•方案梳理，实验热点•探究突破，随堂训练，3如图所示等内容，欢迎下载使用。

实验目的1.学会用控制变量法探究物理规律。2.探究加速度与力、质量的关系。3.掌握利用图像处理数据的方法。
实验原理1.应用控制变量法分析加速度与力、质量的关系。采用控制变量法,在探究加速度与力、质量三者关系时,先让其中一个量保持不变来探究其他两个量之间的关系。(1)控制小车的质量m'不变,分析加速度a与力F的关系。(2)控制砝码和小盘的质量不变,即力F不变,改变小车的质量m',分析加速度a与m'的关系。
实验器材案例1:用平衡阻力法探究加速度与力、质量的关系。打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、重物、夹子、细绳、交变电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺。
案例2:通过位移之比测量加速度之比。两个完全相同的小车(后面带细线),一端附有定滑轮的长木板(两个)、小盘、重物、夹子、刻度尺、黑板擦。 (特别说明:以下实验步骤与数据处理、误差分析等以案例1为研究对象)
实验步骤1.测质量:用天平测量小盘的质量m0和小车的质量m0'。2.安装器材:按下图将实验器材安装好(小车上不系绳)。
3.平衡阻力:把木板无滑轮的一端下面垫一薄木板,反复移动其位置,使小车在不挂小盘和砝码的情况下,能沿木板做匀速直线运动(纸带上相邻点的间距相等)。4.测a、F。(1)把小车停在打点计时器处,挂上小盘和砝码,先接通电源,再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑,打出一条纸带,纸带记录了小车的运动情况,取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂小盘和砝码的总重力m1g。(2)保持小车的质量不变,改变小盘中砝码的质量,重复步骤(1),多做几次实验,并记录好相应纸带的编号及所挂小盘和砝码的总重力m2g,m3g,…
数据处理1.把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中。
以a为纵坐标、F为横坐标,根据数据作a-F图像,用曲线拟合测量点,找出规律,分析a与F的关系。
2.把不同质量的小车(小车和钩码)在相同力的作用下产生的加速度大小填在表中。
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。
误差分析1.系统误差:本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力,而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。小盘和砝码的总质量越接近于小车的质量,误差越大;反之,小盘和砝码的总质量越小于小车的质量,由此引起的误差就越小。因此,满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量的目的是减小因实验原理不完善而引起的误差。2.偶然误差:摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行等都会引起误差。
注意事项1.平衡阻力时不要挂重物,整个实验平衡了阻力后,不管以后是改变小盘和砝码的质量还是改变小车及砝码的质量,都不需要重新平衡阻力。2.实验中必须满足小车和砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量。3.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,且应在小车到达滑轮前按住小车。4.作图像时,要使尽可能多的点在所作直线上,不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧。
热点1 实验原理与操作
典例剖析【例1】 (1)用如图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(含砝码)质量m'的关系,甲同学设计的实验步骤如下:
A.用天平分别称出小车和小桶(包括内部所装沙子)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小桶;D.将电磁打点计时器接在8 V电压的蓄电池上,接通电源,释放小车,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.保持小桶及其中沙子的质量不变,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'关系图像,并由图像确定a与m'的关系。
①甲同学漏掉的重要实验步骤是　　　　　　　　　　　,该步骤应排在步骤　　　　之后。 ②在上述步骤中,有错误的是步骤　　　　　　　　　　,应把　　　　　　　　　改为　　　　　　　　　。 ③在上述步骤中,处理不恰当的是步骤　　　　　　　　　,应把　　　　　　改为　　　　　　。 
(2)乙同学根据实验要求安装的实验装置如图所示(图为已接通电源刚要释放纸带的情况),请改正乙同学的五个错误。 ①电源　　　　; ②电磁打点计时器位置　　　　; ③滑轮位置　　　　; ④小车位置　　　　; ⑤长木板　　　　。 
(2)电磁打点计时器应使用低压(约8 V)交变电源,且要固定在长木板无滑轮的一端,即应靠右端;释放小车时,小车应靠近打点计时器;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;实验时应平衡阻力,使小车所受重力沿木板方向的分力与小车所受阻力平衡,故应垫高长木板右端以平衡阻力。
【例2】 两个相同的小车并排放在光滑水平桌面上,小车前端系上细线,线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘里分别放有不同质量的砝码(图甲)。小车所受的水平拉力F的大小可以认为等于砝码(包括砝码盘)所受的重力大小。小车后端也系有细线,用一只夹子夹住两根细线(图乙),控制两辆小车同时开始运动和结束运动。
答案:加速度与拉力成正比　加速度与质量成反比 G≪m'g
解析:实验过程中,当两小车质量相同时,砝码(包括砝码盘)重力越大,相同时间内位移越大,则加速度越大,进行实验时会发现,加速度与所受拉力成正比;若砝码重力不变,即拉力不变时,质量越大的小车,相同时间内位移越小,即加速度越小,进行测量分析知,加速度与质量成反比。如果砝码(包括砝码盘)的重力G远小于小车的重力m'g时,G近似等于拉力F。
规律总结1.控制变量法:当研究多个物理量的变化规律时,为了简便,可设计保持其他物理量不变,只研究剩余两个变化物理量的关系,这种方法叫作控制变量法。两个相同的小车放在光滑水平面上,前端各系一条细绳,绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘中各放数目不等的砝码,就可以验证质量一定的条件下,加速度与力的关系。
2.对比实验法:对比实验法在物理实验中经常用到。 两小车后端各系一条细绳,一起被一个夹子夹着而使小车静止(如图所示)。打开夹子,两小车同时开始运动;关上夹子,两小车同时停下来。用刻度尺测出两小车通过的位移,位移之比就等于它们的加速度之比。
学以致用在探究加速度与力、质量的关系的实验中,渗透了研究问题的多种科学方法。(1)实验环境的等效法:　　　　　　。 (2)实验条件设计的科学方法:　　　　　　。 (3)实验原理的简化:　　　　　　,即当小车质量m车≫m沙时,细绳对小车的拉力大小近似等于沙及桶的总重力m沙g。 (4)实验数据处理的科学方法:　　　　　　。 
答案:(1)平衡阻力法　(2)控制变量法　(3)近似法　(4)图像法　(5)化曲为直法
热点2 实验数据处理与误差分析
典例剖析【例3】 某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系的实验,图甲为实验装置简图(交变电流的频率为50 Hz)。
(3)保持小车质量不变,改变沙和沙桶质量,该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F变化的图线,如图丁所示。该图线不通过原点,请你分析其主要原因是 　。 
(3)由题图可分析,当加速度a为零时,拉力F并不为零,说明实验前没有平衡阻力或者未完全平衡阻力。
以加速度a为纵坐标、力F为横坐标,根据测量数据描点,然后作出图像,如图甲所示,若图像是一条通过原点的直线,就能说明a与F成正比。
学以致用2.在探究加速度与力、质量的关系实验中,某同学使用了如图所示的装置,打点计时器的打点频率为50 Hz。
(1)该同学得到一条纸带,在纸带上取连续的六个计时点,如图所示,相邻两点间的距离分别为10.0 mm、12.0 mm、14.0 mm、16.0 mm、18.0 mm,则打E点时小车的速度为　　 m/s,打A、F两点的过程中小车的平均速度为　　　　 m/s,小车的加速度为　　　　 m/s2。 
(3)该同学通过对数据的处理作出了a-F图像如图所示。①图中的直线不过原点的原因是　　　　　　　　。 ②此图中直线发生弯曲的原因是　　　　　　　　。 
(3)①由题图可知,当拉力为0时小车的加速度大于0,故直线不过原点的原因是平衡阻力时角度过大。②要使绳子所挂沙和沙桶的重力的大小作为细绳对小车拉力的大小,必须使m≪m',否则将会出现较大误差,当沙和沙桶的质量过大时,沙和沙桶的重力与绳的拉力有较大的差异,从而产生很大的误差。
热点3 实验探究拓展
(3)利用位移传感器测位移(如图)。
3.实验的拓展延伸。以探究加速度与力、质量的关系为背景测量物块与木板间的动摩擦因数。
典例剖析【例4】 下图为用拉力传感器(能测量拉力的仪器)和速度传感器(能测量瞬时速度的仪器)探究加速度与物体受力的关系的实验装置。用拉力传感器记录小车受到拉力的大小,在长木板上相距l=48.0 cm的A、B两点各安装一个速度传感器,分别记录小车到达A、B时的速率。
(1)实验主要步骤如下:①将拉力传感器固定在小车上;②平衡阻力,让小车在不受拉力时做　　　运动; ③把细线的一端固定在拉力传感器上,另一端通过定滑轮与钩码相连,为保证绳子的拉力不变,必须调节滑轮的高度使　　　　　　　　　　　　; ④接通电源后自C点释放小车,小车在细线拉动下运动,记录细线拉力F的大小及小车分别到达A、B时的速率vA、vB;⑤改变所挂钩码的数量,重复④的操作。
(3)由表中数据,在坐标纸上作出a-F关系图线。
(4)对比实验结果与理论计算得到的关系图线(图中已画出理论图线),造成上述偏差的原因除了拉力传感器读数可能偏大外,还可能是　　　　　　　　　　　　。 
解析:(1)②平衡阻力完成的依据是小车在不受拉力作用时恰好做匀速直线运动。③为保证绳子的拉力不变,细线必须与木板平行。
(4)由作出的a-F图像可知,当拉力F已经大于0时,小车的加速度仍然为0,故可能的原因是没有完全平衡阻力。
学以致用3.为了探究加速度与力的关系,使用如图所示的气垫导轨装置进行实验。其中G1、G2为两个光电门,它们与数字计时器相连,当滑行器通过G1、G2光电门时,光束被遮挡的时间Δt1、Δt2都可以被测量并记录。滑行器连同上面固定的遮光条的总质量为m',遮光条宽度为d,光电门间距离为x,槽码的质量为m。
(1)实验开始应先调节气垫导轨下面的螺钉,使气垫导轨水平,在不增加其他仪器的情况下,判定调节是否到位的方法是　　　　　　　　　　。 (2)若取m'=0.4 kg,改变m的值,进行多次实验,以下m的取值不合适的一个是　　　　。 A.m1=5 gB.m2=15 gC.m3=40 gD.m4=400 g(3)在此实验中,需要测得每一个牵引力对应的加速度,其中求得的加速度a的表达式为　　　　　　　　　　(用Δt1、Δt2、d、x表示)。 
解析:(1)取下槽码,滑行器放在任意位置都不动,或取下槽码,轻推滑行器,数字计时器记录每一个光电门的光束被遮挡的时间Δt都相等。(2)本实验只有在满足m≪m'的条件下,才可以使槽码的重力近似等于对滑行器的拉力,所以D是不合适的。
A.甲和乙没有把握好实验条件m'远大于mB.丙和丁没有把握好实验条件m'远大于mC.甲中长木板的倾角太小,乙中长木板的倾角太大D.甲、乙、丙三位同学中,丙同学较好地完成了平衡阻力的操作答案:BCD
解析:题图甲和乙都是直线,说明满足小车和车上砝码的总质量m'远大于小盘及盘中砝码的总质量m,而丙和丁没有把握好此条件,故图线出现弯曲,选项A错误,B正确。题图甲、乙、丙中只有题图丙经过原点,说明只有丙较好地完成了平衡阻力的操作,选项D正确。题图甲中图线在横轴上有截距,即F为某一值时才开始有加速度,说明长木板倾角太小,没有很好地平衡阻力;而题图乙中图线在纵轴上有截距,说明长木板倾角太大,平衡阻力过度,选项C正确。
2.某同学做加速度与物体质量关系的实验,所用装置图如图所示。实验中他保持砝码盘和盘中砝码的总质量m一定,保证小车质量远大于m。
(1)在该实验中,打点计时器所用交变电源的频率为50 Hz。某次实验中得到的一条纸带如下图所示,从比较清晰的某点起,取五个计数点,分别标为0、1、2、3、4。量得s1=5.25 cm, s2=6.10 cm,s3=6.95 cm,s4=7.85 cm,则打点“3”时小车的瞬时速度大小为　　　　 m/s,用逐差法求得小车的加速度大小为　　　　 m/s2。(结果均保留三位有效数字) 
(2)(多选)以下是其部分操作步骤,其中正确的是　　　。 A.平衡阻力时,应将砝码盘及盘中的砝码用细绳通过定滑轮系在小车上B.释放小车时,小车的位置应靠近打点计时器C.实验时,先接通打点计时器的电源,再放开小车D.用天平测出m以及小车质量m车,小车运动的加速度可直接用公式 求出
答案:(1)0.740　0.863　(2)BC　(3)没有平衡阻力或平衡阻力时倾角不够
解析:(1)由于每相邻两个计数点间还有4个点,所以相邻的计数点间的时间间隔T=0.1 s,根据匀变速直线运动中中间时刻的速度等于该过程中的平均速度,可以求出打纸带上3点时小车的瞬时速度大小
根据匀变速直线运动的推论公式Δx=aT2可以求出加速度的大小,即小车运动的加速度
(2)平衡阻力时,不挂砝码盘及盘中的砝码,只让小车拖着纸带在木板上匀速运动,选项A错误;释放小车时,小车的位置应靠近打点计时器,以充分利用纸带,选项B正确;实验时,先接通打点计时器的电源,再放开小车,选项C正确;小车的加速度是通过纸带上的点迹来求解的,选项D错误。(3)实验中若不平衡阻力或者平衡阻力不足,则对某一质量的小车来说,拉力一定,则加速度就会偏小, 就会偏大,对应的点的位置就会偏上,出现图像所示的情况;故图像的延长线没有过原点的原因是没有平衡阻力或平衡阻力时倾角不够。
3.在做探究加速度和力、质量的关系的实验中,保持小车和砝码的总质量不变,测得小车的加速度a和拉力F的数据如表所示。
(1)根据表中的数据在坐标系上作出a-F图像。(2)图像斜率的物理意义是　　　　。 (3)小车和砝码的总质量为　　　　 kg。 
答案:(1)如图所示。 (2)表示小车和砝码总质量的倒数(3)1