《2020版新教材高中物理5.2科学探究：加速度与力质量的关系课件鲁科版必修1.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2020版新教材高中物理5.2科学探究：加速度与力质量的关系课件鲁科版必修1.pdf（63页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、第2节 科学探究：加速度与力、质量的关系 【实验目的实验目的】 1.1.探究加速度与力、质量的关系。探究加速度与力、质量的关系。 2.2.学会用学会用_法探索物理规律。法探索物理规律。 控制变量控制变量 【实验器材实验器材】 带定滑轮的长木板、薄垫块、小车、细绳、重物带定滑轮的长木板、薄垫块、小车、细绳、重物( (小钩小钩 码或沙桶等码或沙桶等) )、_、纸带、纸带、_、天、天 平、砝码、平、砝码、_。 打点计时器打点计时器交流电源交流电源 刻度尺刻度尺 【实验原理与设计实验原理与设计】 1.1.实验的基本思想实验的基本思想 控制变量法：控制变量法： (1)(1)变量的控制要求：变量的控制要求
2、： 在物理实验中，要注意控制实验过程中的不同变量。在物理实验中，要注意控制实验过程中的不同变量。 (2)(2)设计思路。设计思路。 若讨论加速度与受力的关系时，应控制若讨论加速度与受力的关系时，应控制_不变；不变； 若讨论加速度与物体质量的关系时，应控制若讨论加速度与物体质量的关系时，应控制_不不 变。变。 质量质量 受力受力 (3)(3)实验思想的拓展。实验思想的拓展。 这种控制一些物理量不变，先分别研究待测量与其中这种控制一些物理量不变，先分别研究待测量与其中 一个物理量的关系，再综合解决问题的控制变量法，一个物理量的关系，再综合解决问题的控制变量法， 被广泛应用于科学研究中。被广泛应用于
3、科学研究中。 2.2.实验原理：实验原理： (1)(1)保持小车质量保持小车质量m m不变，通过不变，通过_的方式改变作的方式改变作 用于小车的力用于小车的力F F，测出小车相应的加速度，测出小车相应的加速度a a，则可得，则可得a a与与 F F的关系。的关系。 (2)(2)保持拉力保持拉力F F不变，通过不变，通过_的方式改变的方式改变 小车的质量小车的质量m m，测出相应的加速度，测出相应的加速度a a，则可得，则可得a a与与m m的关系。的关系。 增减重物增减重物 增减小车上砝码增减小车上砝码 3.3.实验设计：实验设计： 设计一 三个物理量的测量方法设计一 三个物理量的测量方法近似
4、法近似法 (1)(1)拉力的测量。拉力的测量。 平衡小车所受阻力。平衡小车所受阻力。 a.a.将远离滑轮的一端用薄垫块垫高；将远离滑轮的一端用薄垫块垫高； b.b.使小车在不挂重物时能做使小车在不挂重物时能做_； 匀速直线运动匀速直线运动 c.c.这种情况下，小车重力沿斜面向下的分力恰好抵消这种情况下，小车重力沿斜面向下的分力恰好抵消 其其_。 所受摩擦力及其他阻力所受摩擦力及其他阻力 使小车所受拉力等于重物的重力。使小车所受拉力等于重物的重力。 只有只有_时，才可以近时，才可以近 似认为重物的重力等于小车的拉力，即似认为重物的重力等于小车的拉力，即FmgFmg。 所挂重物的质量远小于小车的质
5、量所挂重物的质量远小于小车的质量 (2)(2)研究对象质量的测量。研究对象质量的测量。 利用天平测出空小车的质量利用天平测出空小车的质量m m0 0和重物的质量和重物的质量mm； 研究对象的质量等于空小车的质量研究对象的质量等于空小车的质量m m0 0与砝码质量之与砝码质量之 和。和。 (3)(3)加速度的测量。加速度的测量。 原理：原理： 放在长木板上的小车在细绳恒定拉力作用下做匀加速放在长木板上的小车在细绳恒定拉力作用下做匀加速 直线运动，取两段相邻、相等时间内的位移，满足直线运动，取两段相邻、相等时间内的位移，满足 x=aTx=aT2 2； 应用刻度尺测量应用刻度尺测量_； 利用利用_计
6、算对应的加速度大小。计算对应的加速度大小。 计数点之间的距离计数点之间的距离 逐差法逐差法 设计二 数据处理方法设计二 数据处理方法图像法、图像法、“化曲为直化曲为直”法法 (1)(1)加速度与力的关系：研究加速度加速度与力的关系：研究加速度a a与与F F的关系时，以的关系时，以 加速度加速度a a为纵坐标、以力为纵坐标、以力F F为横坐标，根据测量数据画为横坐标，根据测量数据画 图，若图像是图，若图像是_，说明，说明a a与与F F成正比。成正比。 一条过原点的直线一条过原点的直线 (2)(2)加速度与质量的关系：加速度与质量的关系： 数据处理：数据处理： 研究加速度研究加速度a a与物体
7、质量与物体质量m m的关系，以加速度的关系，以加速度a a为纵坐标为纵坐标 、以物体的质量、以物体的质量m m为横坐标，画出图像是曲线；为横坐标，画出图像是曲线； 化曲为直：化曲为直： 检查检查a-ma-m是不是双曲线，就能判断二者是否为反比关系，是不是双曲线，就能判断二者是否为反比关系， 但是判断是否为双曲线，难度较大，若但是判断是否为双曲线，难度较大，若a a与与m m是反比关是反比关 系，则系，则a a与与 必成必成_关系，我们采用关系，我们采用“化曲为直化曲为直” 的方法，将的方法，将a-ma-m图像转变为图像转变为a- a- 图像。图像。 1 m 正比正比 1 m 【实验过程实验过程
8、】 一、实验步骤一、实验步骤 1.1.安装实验器材：安装实验器材： 将小车置于带有定滑轮的木板上，将纸带穿过打点计将小车置于带有定滑轮的木板上，将纸带穿过打点计 时器后挂在小车尾部。时器后挂在小车尾部。 2.2.平衡摩擦力：平衡摩擦力： 用薄垫块将木板垫高，调整其倾斜程度，直至小车运用薄垫块将木板垫高，调整其倾斜程度，直至小车运 动时打点计时器在纸带上打出的点分布均匀即可。动时打点计时器在纸带上打出的点分布均匀即可。 3.3.悬挂重物：悬挂重物： 在细绳一端挂上重物，另一端通过定滑轮系在小车前在细绳一端挂上重物，另一端通过定滑轮系在小车前 端。端。 4.4.收集纸带数据：收集纸带数据： 小车靠
9、近打点计时器后开启打点计时器，稍后再将小小车靠近打点计时器后开启打点计时器，稍后再将小 车由静止释放，打点计时器在纸带上打出一系列的点车由静止释放，打点计时器在纸带上打出一系列的点 ，据此计算出小车的加速度。，据此计算出小车的加速度。 5.5.改变小车受力：改变小车受力： (1)(1)保持小车的质量不变，通过增加小钩码的数量，增保持小车的质量不变，通过增加小钩码的数量，增 加重物的质量加重物的质量( (总质量仍远小于小车质量总质量仍远小于小车质量) )； (2)(2)重复步骤重复步骤4 4，多做几次实验，并记录好相应纸带的，多做几次实验，并记录好相应纸带的 编号及所挂钩码的总重力编号及所挂钩码
10、的总重力m m2 2g g、m m3 3gg 6.6.改变小车质量：改变小车质量： (1)(1)保持重物保持重物( (小车所受的拉力小车所受的拉力) )不变，通过增加或减少不变，通过增加或减少 小车上的砝码的方式，改变小车的质量，接通电源后小车上的砝码的方式，改变小车的质量，接通电源后 放开小车，用纸带记录小车的运动情况。取下纸带，放开小车，用纸带记录小车的运动情况。取下纸带， 并在纸带上标上号码及小车和砝码的总质量并在纸带上标上号码及小车和砝码的总质量M M1 1； (2)(2)继续在小车上增加砝码，重复前面的步骤，多做几继续在小车上增加砝码，重复前面的步骤，多做几 次实验，在每次实验得到的
11、纸带上标上号码及小车和次实验，在每次实验得到的纸带上标上号码及小车和 砝码的总质量砝码的总质量M M2 2、M M3 3 7.7.求加速度：用公式求加速度：用公式s=aTs=aT2 2或或a= a= ，求得小车的加，求得小车的加 速度速度a a，将得到的数据填入相应表格中，以便进行数据，将得到的数据填入相应表格中，以便进行数据 处理。处理。 2 2s T 【思考思考讨论讨论】 (1)“(1)“平衡平衡”摩擦力的操作过程中要不要挂钩码？为摩擦力的操作过程中要不要挂钩码？为 什么？什么？( (科学推理科学推理) ) 提示：提示：实验操作中，为确保细绳拉力为小车所受合力实验操作中，为确保细绳拉力为小
12、车所受合力 ，故平衡时不需要挂钩码。，故平衡时不需要挂钩码。 (2)(2)实验过程中，应从哪几个方面注意操作的安全问题实验过程中，应从哪几个方面注意操作的安全问题 ？( (科学态度与责任科学态度与责任) ) 提示：提示：使用打点计时器时，应注意用电安全；使用打点计时器时，应注意用电安全； 注意避免小车、砝码及重物等的下落造成摔坏器材注意避免小车、砝码及重物等的下落造成摔坏器材 或砸伤身体。或砸伤身体。 二、数据收集与分析二、数据收集与分析 1.1.列列F F、a a数据收集表：数据收集表： 根据实验操作，将小车在不同力作用下产生的加速度根据实验操作，将小车在不同力作用下产生的加速度 填在表中：
13、填在表中： 实验序号实验序号1 12 23 34 45 5 作用力作用力( (钩码的重力钩码的重力) ) F/NF/N 加速度加速度a/a/（msms-2 -2） ） 2.2.作作a-Fa-F图像的方法：图像的方法： 以以a a为纵坐标、为纵坐标、F F为横坐标，根据数据作为横坐标，根据数据作a-F a-F 图像，用图像，用 曲线拟合测量点，找出规律，分析曲线拟合测量点，找出规律，分析a a与与F F的关系。的关系。 3.3.列列M M、a a收集表格：收集表格： 把不同质量的小车把不同质量的小车( (小车和砝码小车和砝码) )在相同力的作用下产在相同力的作用下产 生的加速度填在表中：生的加速
14、度填在表中： 实验序号实验序号1 12 23 34 45 5 小车和砝码小车和砝码 质量质量M/kgM/kg 加速度加速度a/a/（msms-2 -2） ） 1 M 4.4.作作a- a- 图像的方法：图像的方法： 分别以分别以a a为纵坐标、为纵坐标、M M和和 为横坐标，根据数据作为横坐标，根据数据作a-Ma-M 图像和图像和a- a- 图像，分析图像，分析a a与与M M的关系。的关系。 1 M 1 M 1 M 5.5.实验结论：实验结论： (1)(1)对同一物体，当物体的质量不变时，物体的加速度对同一物体，当物体的质量不变时，物体的加速度 与所受力成正比。与所受力成正比。 (2)(2)
15、对不同物体，当力不变时，物体的加速度与质量成对不同物体，当力不变时，物体的加速度与质量成 反比。反比。 【思考思考讨论讨论】 在研究加速度与质量的关系时，为什么不作 在研究加速度与质量的关系时，为什么不作a-Ma-M图图 像，而是作像，而是作a- a- 图像？图像？( (科学思维科学思维) ) 提示：提示：因为因为a-Ma-M图像的图线不是线性关系，不容易判断图像的图线不是线性关系，不容易判断 二者之间遵循的规律，转化为二者之间遵循的规律，转化为a- a- 图像后，二者之间图像后，二者之间 转化为线性关系，使物理量之间的关系更直观。转化为线性关系，使物理量之间的关系更直观。 1 M 1 M 【
16、误差分析误差分析】 1.1.实验原理不完善造成系统误差：实验原理不完善造成系统误差： (1)(1)产生原因：产生原因： 实验中用钩码的重力代替小车受到的拉力实验中用钩码的重力代替小车受到的拉力( (实际上小车实际上小车 受到的拉力要小于钩码的重力受到的拉力要小于钩码的重力) )，存在系统误差。，存在系统误差。 (2)(2)钩码质量对误差大小的影响：钩码质量对误差大小的影响： 定量分析：定量分析： ( (说明：此分析可结合下一节内容理解说明：此分析可结合下一节内容理解) ) 设小车的质量为设小车的质量为M M，钩码的质量为，钩码的质量为m m，将二者一起运动，将二者一起运动 时的加速度设为时的加
17、速度设为a a，以小车和钩码为研究对象，将它们，以小车和钩码为研究对象，将它们 看作一个整体，根据实验结论可得看作一个整体，根据实验结论可得mg=(m+M)amg=(m+M)a 以小车为研究对象，设细线上的拉力为以小车为研究对象，设细线上的拉力为T T，则，则 T=MaT=Ma 联立解得联立解得 只有当只有当m mM M时，时，TmgTmg Mmg1 Tmg m Mm 1 M 定性分析：钩码的质量越接近小车的质量，误差就定性分析：钩码的质量越接近小车的质量，误差就 越大；反之，钩码的质量越小于小车的质量，误差就越大；反之，钩码的质量越小于小车的质量，误差就 越小。越小。 2.2.测量、操作不够
18、准确造成偶然误差：测量、操作不够准确造成偶然误差： (1)(1)质量的测量误差。质量的测量误差。 (2)(2)纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差。纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差。 (3)(3)细绳或纸带不与木板平行会造成误差。细绳或纸带不与木板平行会造成误差。 (4)(4)平衡摩擦力不够平衡摩擦力不够( (或过度或过度) )造成的误差，该误差使作造成的误差，该误差使作 出的图线在横轴出的图线在横轴( (或纵轴或纵轴) )上产生截距。上产生截距。 【思考思考讨论讨论】 请从实验原理的角度，通过改变实验器材，讨论改 请从实验原理的角度，通过改变实验器材，讨论改 进测量小车所受拉力的方法
19、，减小实验的系统误差。进测量小车所受拉力的方法，减小实验的系统误差。( ( 科学思维科学思维) ) 提示：提示：为了减小由于小车所受拉力而产生的系统误差为了减小由于小车所受拉力而产生的系统误差 ，可将力传感器和位移传感器的发射器装在运动的小，可将力传感器和位移传感器的发射器装在运动的小 车上，将接收器装在小车运动轨道的末端，并通过数车上，将接收器装在小车运动轨道的末端，并通过数 据采集器输入计算机，就可以测出小车所受的拉力位据采集器输入计算机，就可以测出小车所受的拉力位 移。移。 类型一 实验操作类型一 实验操作 【典例典例1 1】用如图所示的装置研究在作用力用如图所示的装置研究在作用力F F
20、一定时，一定时， 小车的加速度小车的加速度a a与小车质量与小车质量m m的关系，某位同学设计的的关系，某位同学设计的 实验步骤如下：实验步骤如下： 世纪金榜导学号世纪金榜导学号 A.A.用天平称出小车和托盘及所装重物的质量；用天平称出小车和托盘及所装重物的质量； B.B.按图安装好实验器材；按图安装好实验器材； C.C.把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂托盘及重物；把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂托盘及重物； D.D.将电磁打点计时器接在将电磁打点计时器接在6 V6 V电压的蓄电池上，接通电电压的蓄电池上，接通电 源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，源，放开小车，打点计时器在纸带上打
21、下一系列点， 并在纸带上标明小车质量；并在纸带上标明小车质量； E.E.保持托盘及重物的质量不变，增加小车上的砝码个保持托盘及重物的质量不变，增加小车上的砝码个 数，并记录每次增加后的数，并记录每次增加后的m m值，重复上述实验；值，重复上述实验； F.F.分析每条纸带，测量并计算出加速度的值；分析每条纸带，测量并计算出加速度的值； G.G.作作a-ma-m关系图像，并由图像确定关系图像，并由图像确定a a与与m m的关系。的关系。 (1)(1)该同学漏掉的重要实验步骤是 ，该同学漏掉的重要实验步骤是 ， 该步骤应排在该步骤应排在_步实验之后。步实验之后。 (2)(2)在上述步骤中，有错误的是
22、在上述步骤中，有错误的是_，应把，应把 _改为 。改为 。 (3)(3)在上述步骤中，处理不恰当的是在上述步骤中，处理不恰当的是_，应把，应把_ 改为改为_。 【解题探究解题探究】 (1)(1)电磁打点计时器对电源的要求是什么？电磁打点计时器对电源的要求是什么？ 提示：提示：4 46 V6 V交流电。交流电。 (2)(2)为什么作图像时不作为什么作图像时不作a-ma-m图像而作图像而作a- a- 图像？图像？ 提示：提示：a-ma-m图像是双曲线，不能直观地反映两物理量的图像是双曲线，不能直观地反映两物理量的 关系，关系，a- a- 图像是一条直线，直观形象。图像是一条直线，直观形象。 1 m
23、 1 m 【解析解析】(1)(1)实验中把托盘及其中的重物的重力看作小实验中把托盘及其中的重物的重力看作小 车所受合外力，故在悬挂托盘前必须平衡摩擦力；车所受合外力，故在悬挂托盘前必须平衡摩擦力； (2)(2)电磁打点计时器的工作电压为电磁打点计时器的工作电压为4 46 V6 V的交流电，本的交流电，本 实验操作中接在实验操作中接在6 V6 V的蓄电池上时，不能打点；的蓄电池上时，不能打点； (3)(3)作作a-ma-m关系图像，得到的是双曲线的一支，对二者关关系图像，得到的是双曲线的一支，对二者关 系很难做出正确判断，必须系很难做出正确判断，必须“化曲为直化曲为直”，改作，改作a- a- 关
24、系图像。关系图像。 答案：答案：(1)(1)平衡摩擦力 平衡摩擦力 B B (2)D(2)D 6 V6 V电压的蓄电池电压的蓄电池 4 46 V6 V交流电压的学生电源 交流电压的学生电源 (3)G(3)G a-ma-m a- a- 1 m 1 m 类型二 数据处理类型二 数据处理 【典例典例2 2】某同学设计了某同学设计了“探究小车加速度探究小车加速度a a与小车所与小车所 受合力受合力F F及质量及质量m m的关系的关系”实验。如图所示为实验装置实验。如图所示为实验装置 简图，简图，A A为小车，为小车，B B为电火花计时器，为电火花计时器，C C为装有细沙的小为装有细沙的小 桶，桶，D
25、D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细 绳对小车的拉力绳对小车的拉力F F等于细沙和小桶的总重力，小车运动等于细沙和小桶的总重力，小车运动 的加速度的加速度a a可用纸带上打出的点求得。可用纸带上打出的点求得。世纪金榜导世纪金榜导 学号学号 (1)(1)如图所示为某同学在实验中打出的一条纸带，他选如图所示为某同学在实验中打出的一条纸带，他选 择了几个计时点作为计数点，相邻两计数点间还有择了几个计时点作为计数点，相邻两计数点间还有4 4个个 计时点没有标出，其中计时点没有标出，其中s s1 1=7.06 cm=7.06 cm、s s2 2=7.68
26、 cm=7.68 cm、 s s3 3=8.30 cm=8.30 cm、s s4 4=8.92 cm=8.92 cm，那么打，那么打b b点的瞬时速度大小点的瞬时速度大小 是是_m/s_m/s；纸带加速度的大小是；纸带加速度的大小是_m/s_m/s2 2。( ( 计算结果保留两位有效数字计算结果保留两位有效数字) ) (2)(2)某同学在实验时把长木板的右端垫得过高，使得倾某同学在实验时把长木板的右端垫得过高，使得倾 角过大。用角过大。用a a表示小车的加速度，表示小车的加速度，F F表示细绳作用于小表示细绳作用于小 车的拉力。他绘出的车的拉力。他绘出的a-Fa-F关系图像是关系图像是_。 【
27、解析解析】(1)b(1)b点是点是acac段的中间时刻打下的点，根据匀段的中间时刻打下的点，根据匀 变速直线运动的推论可知，变速直线运动的推论可知，acac段的平均速度等于段的平均速度等于b b点的点的 瞬时速度，即：瞬时速度，即： v vb b= cm/s=73.7 cm/s0.74 m/s= cm/s=73.7 cm/s0.74 m/s 12 ss7.067.68 2 0.1 s0.2 由逐差法求解小车的加速度由逐差法求解小车的加速度 a 0.62 m/sa 0.62 m/s2 2 3412 2 ssss 2T (2)(2)把长木板的右端垫得过高，使得倾角过大，小车所把长木板的右端垫得过高
28、，使得倾角过大，小车所 受重力平行于木板的分力大于小车受到的摩擦力，小受重力平行于木板的分力大于小车受到的摩擦力，小 车受到的合力大于细绳的拉力，在小车不受力时，小车受到的合力大于细绳的拉力，在小车不受力时，小 车已经具有一定的加速度，车已经具有一定的加速度，a-Fa-F图像不过原点，在图像不过原点，在a a轴轴 上有截距，因此他绘出的上有截距，因此他绘出的a-Fa-F关系图像是关系图像是C C。 答案：答案：(1)0.74(1)0.74 0.620.62 (2)C(2)C 【规律方法规律方法】 分析纸带、图像类问题的思路分析纸带、图像类问题的思路 (1)(1)瞬时速度的求法：根据中间时刻的瞬
29、时速度等于这瞬时速度的求法：根据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。段位移的平均速度求解某点的瞬时速度。 (2)(2)加速度的求法：根据逐差法即加速度的求法：根据逐差法即s=aTs=aT2 2，求解小车，求解小车 的加速度。的加速度。 类型三 实验创新类型三 实验创新 【典例典例3 3】如图所示为用如图所示为用DIS(DIS(位移传感器、数据采集器位移传感器、数据采集器 、计算机、计算机) )探究加速度探究加速度a a与作用力与作用力F F、m m之间的关系。之间的关系。( (仪仪 器不足的可补充器不足的可补充) )世纪金榜导学号世纪金榜导学号 1.1.实验创新思路：
30、实验创新思路： (1)(1)应用现代仪器改进拉力的测量方法。应用现代仪器改进拉力的测量方法。 (2)(2)利用现代仪器改进加速度的测量方法。利用现代仪器改进加速度的测量方法。 2.2.实验步骤：实验步骤： (1)(1)用天平测量小车的质量。用天平测量小车的质量。 (2)(2)在轨道上放置小车并安装传感器，连接电路。在轨道上放置小车并安装传感器，连接电路。 (3)(3)用细线连接小车，跨过定滑轮系住小钩码。用细线连接小车，跨过定滑轮系住小钩码。 (4)(4)释放小车，拉力的大小由力传感器显示，加速度大释放小车，拉力的大小由力传感器显示，加速度大 小由计算机直接读出。小由计算机直接读出。 (5)(
31、5)记录记录_和加速度和加速度a a的数据。的数据。 (6)(6)改变小车和悬挂钩码的数量，测出多组改变小车和悬挂钩码的数量，测出多组a a、m m和和F F的的 数据。数据。 (7)(7)分析实验数据，归纳得出结论。分析实验数据，归纳得出结论。 拉力拉力F F 3.3.误差分析：误差分析： (1)(1)轨道要求：轨道要求： 轨道应倾斜，直到轨道应倾斜，直到_。 (2)(2)钩码的质量要求：钩码的质量要求： 为了操作安全，钩码的质量应小些。为了操作安全，钩码的质量应小些。 平衡摩擦力及阻力平衡摩擦力及阻力 【创新评价创新评价】 创新角度创新角度创新方案创新方案 拉力测量方法拉力测量方法 创新创新 将原来由钩码重力近似替代小车所受将原来由钩码重力近似替代小车所受 拉力，改进为力传感器直接显示拉力，改进为力传感器直接显示 加速度测量方加速度测量方 法创新法创新 由原来的纸带人工求解改进为利用位由原来的纸带人工求解改进为利用位 移传感器、数据采集器、计算机直接移传感器、数据采集器、计算机直接 读出读出 数据处理创新数据处理创新 将坐标纸作图改进为数据采集后输入将坐标纸作图改进为数据采集后输入 计算机，显示屏直接显示计算机，显示屏直接显示