2022-2023學(xué)年新教材高中物理第四章運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系2.實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力質(zhì)量的關(guān)系課件新人教版必修第一冊

2.實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)必備?自主學(xué)習(xí)精析典例?素養(yǎng)提升評(píng)價(jià)檢測?素養(yǎng)達(dá)標(biāo)新課程標(biāo)準(zhǔn)1．能對探究的物理問題制訂科學(xué)探究方案，有控制變量的意識(shí)，會(huì)使用實(shí)驗(yàn)器材獲取數(shù)據(jù)．2．能根據(jù)數(shù)據(jù)形成結(jié)論，會(huì)分析導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差的原因．3．能撰寫有一定要求的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，能與他人交流探究過程和結(jié)果．核心素養(yǎng)目標(biāo)科學(xué)思維利用控制變量法，設(shè)計(jì)不同實(shí)驗(yàn)方案，利用圖像法分析論證得出結(jié)論的科學(xué)思維能力．科學(xué)探究用控制變量法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系．科學(xué)態(tài)度與責(zé)任在獲取和處理數(shù)據(jù)中，有嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)求證的科學(xué)精神．實(shí)驗(yàn)必備?自主學(xué)習(xí)一、實(shí)驗(yàn)思路1．實(shí)驗(yàn)裝置

將小車置于________上，通過滑輪與______相連．小車可以在槽碼的牽引下運(yùn)動(dòng)．水平木板槽碼

拉力不變質(zhì)量質(zhì)量二、物理量的測量1．質(zhì)量的測量：用_____測量．為了改變小車的質(zhì)量，可以在小車中增減______的數(shù)量．2．加速度的測量(1)方法1：讓小車做初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，用刻度尺測量小車的位移x，并用秒表測量發(fā)生這段位移所用的時(shí)間t，然后由a＝____計(jì)算出加速度a.(2)方法2：由紙帶根據(jù)公式Δx＝aT2，結(jié)合逐差法計(jì)算出小車的加速度．天平砝碼

之比

等于小得多重力三、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)1．調(diào)試實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．2．加速度與力的關(guān)系：設(shè)計(jì)表格，把測得的同一個(gè)小車在不同拉力F作用下的加速度a填在表1中．表1：小車質(zhì)量一定3.加速度與質(zhì)量的關(guān)系：設(shè)計(jì)表格，把測得的不同質(zhì)量的小車在相同拉力作用下的加速度a填在表2中．表2：小車所受的拉力一定四、數(shù)據(jù)分析

1．加速度與力的關(guān)系(小車質(zhì)量不變)以a為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo)，根據(jù)數(shù)據(jù)作a-F圖像，用曲線擬合測量點(diǎn)，找出規(guī)律，分析a與F的關(guān)系．

五、注意事項(xiàng)1．打點(diǎn)前小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器且應(yīng)先啟動(dòng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器后放開小車．2．在補(bǔ)償阻力時(shí)，不要懸掛槽碼，但小車應(yīng)連著紙帶且啟動(dòng)計(jì)時(shí)器．用手輕輕地給小車一個(gè)初速度，如果在紙帶上打出的點(diǎn)的間隔均勻，表明小車受到的阻力跟它的重力沿斜面向下的分力平衡．3．改變槽碼的質(zhì)量的過程中，要始終保證槽碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量．4．作圖時(shí)應(yīng)使所作的直線通過盡可能多的點(diǎn)，不在直線上的點(diǎn)也要盡可能地均勻分布在直線的兩側(cè)，個(gè)別偏離較遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)舍去．精析典例?素養(yǎng)提升類型一實(shí)驗(yàn)過程與操作歸納總結(jié)1.本實(shí)驗(yàn)用到的物理方法及實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)操作方法控制變量法數(shù)據(jù)處理方法圖像法——化曲為直實(shí)驗(yàn)條件①補(bǔ)償阻力；②m?M；③細(xì)線與長木板平行2.平衡摩擦力應(yīng)注意以下幾點(diǎn)(1)不掛槽碼．(2)墊高長木板遠(yuǎn)離滑輪的一端．(3)連好紙帶后接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，調(diào)節(jié)傾角，當(dāng)紙帶上打出的點(diǎn)跡均勻分布時(shí)，說明已經(jīng)平衡了摩擦力．典例示范例1在研究作用力F一定時(shí)，小車的加速度a與小車(含砝碼)質(zhì)量M的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)安裝的實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下：

A．用天平稱出小車和槽碼的質(zhì)量B．按圖示安裝好實(shí)驗(yàn)器材C．把細(xì)繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛槽碼D．將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在6V電壓的蓄電池上，接通電源，釋放小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，并在紙帶上標(biāo)明小車質(zhì)量E．保持槽碼的質(zhì)量不變，增加小車上的砝碼個(gè)數(shù)，并記錄每次增加后的M值，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)F．分析每條紙帶，測量并計(jì)算出加速度的值G．作a-M關(guān)系圖像，并由圖像確定a與M的關(guān)系(1)請改正實(shí)驗(yàn)裝置圖中的錯(cuò)誤．①電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器位置____________；②小車位置_____________________；③滑輪位置_____________________.應(yīng)靠右端應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)使細(xì)繩平行于木板【解析】

(1)①電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)固定在長木板無滑輪的一端，且應(yīng)靠近右端；②釋放小車時(shí)，小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器；③連接小車的細(xì)繩應(yīng)平行于木板，故應(yīng)調(diào)節(jié)滑輪位置使細(xì)繩平行于木板．(2)該同學(xué)漏掉的重要實(shí)驗(yàn)步驟是________，該步驟應(yīng)排在步驟____之后．(3)在上述步驟中，有錯(cuò)誤的是步驟____，應(yīng)把_______________改為______________．(4)在上述步驟中，處理不恰當(dāng)?shù)氖遣襟E___，應(yīng)把____________改為______________．補(bǔ)償阻力BD6V電壓的蓄電池8V的交流電源G作a-M關(guān)系圖像

針對訓(xùn)練1

用如圖所示的裝置可以完成“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)．

(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的電源是___(選填選項(xiàng)前的字母)．A．直流電源B．交流電源(2)實(shí)驗(yàn)中，需要平衡摩擦力和其他阻力．正確操作方法是____(選填選項(xiàng)前的字母)．A．把長木板右端墊高B．改變小車的質(zhì)量BA解析：(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器需要交流電源，故選B.(2)需要平衡摩擦力和其他阻力的方法是把長木板右端墊高，用小車所受重力的分力來平衡摩擦力和阻力，故選A.(3)在_____(選填選項(xiàng)前的字母)且計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的情況下，輕推一下小車，若小車拖著紙帶做勻速運(yùn)動(dòng)，表明已經(jīng)消除了摩擦力和其他阻力的影響．A．不懸掛槽碼B．懸掛槽碼(4)實(shí)驗(yàn)中，為了保證懸掛槽碼的重力近似等于使小車做勻加速運(yùn)動(dòng)的拉力，懸掛槽碼的總質(zhì)量m與小車M之間應(yīng)滿足的條件是_____．A．M?mB．m?MAA解析：(3)不懸掛槽碼，輕推一下小車，若小車拖著紙帶做勻速運(yùn)動(dòng)，表明已經(jīng)消除了摩擦力和其他阻力的影響．(4)為了保證懸掛槽碼的重力近似等于使小車做勻加速運(yùn)動(dòng)的拉力，懸掛槽碼的總質(zhì)量m與小車M之間應(yīng)滿足的條件是M?m.針對訓(xùn)練2

在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系活動(dòng)中，某小組設(shè)計(jì)了如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置．圖中上下兩層水平軌道表面光滑，兩小車前端系上細(xì)線，細(xì)線跨過滑輪并掛上砝碼盤，兩小車尾部細(xì)線連到控制裝置上，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過控制裝置使兩小車同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，然后同時(shí)停止．(1)在安裝實(shí)驗(yàn)裝置時(shí)，應(yīng)調(diào)整滑輪的高度，使____________________；在實(shí)驗(yàn)時(shí)，為減小系統(tǒng)誤差，應(yīng)使砝碼盤和砝碼的總質(zhì)量________(選填“遠(yuǎn)大于”“遠(yuǎn)小于”或“等于”)小車的質(zhì)量．(2)本實(shí)驗(yàn)通過比較兩小車的位移來比較小車加速度的大小，能這樣比較，是因?yàn)開___________________________________________________．細(xì)線與軌道平行(或水平)遠(yuǎn)小于兩小車從靜止開始做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，且兩小車的運(yùn)動(dòng)時(shí)間相等

典例示范例2某小組利用如圖甲所示的裝置探究加速度與力的關(guān)系．實(shí)驗(yàn)中他們平衡了小車和木板間的摩擦力，還用天平測出小車的總質(zhì)量，同時(shí)用所掛槽碼的總重力代替小車所受的牽引力F.(1)掛槽碼前，為了消除摩擦力的影響，應(yīng)調(diào)節(jié)木板右側(cè)的高度，直至向左輕推小車觀察到紙帶上_____________．(2)他們還在實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)木板上定滑輪的高度，使?fàn)恳≤嚨募?xì)線與木板平行．這樣做的目的是____．A．避免小車在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生抖動(dòng)B．使打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)跡清晰C．保證小車最終能夠做勻速直線運(yùn)動(dòng)D．使細(xì)線拉力等于小車受到的合力打出的點(diǎn)跡均勻D【解析】

(1)掛槽碼前，為了消除摩擦力的影響，應(yīng)調(diào)節(jié)木板右側(cè)的高度，直至向左輕推小車觀察到小車做勻速運(yùn)動(dòng)(紙帶上點(diǎn)跡均勻)，摩擦力被平衡掉．(2)使?fàn)恳≤嚨募?xì)線與木板平行，這樣做的目的是可在平衡摩擦力后使細(xì)線拉力等于小車受的合力，故D正確．(3)如下表記錄了小車質(zhì)量一定時(shí)，牽引力大小F與對應(yīng)的加速度a的幾組數(shù)據(jù)，請?jiān)趫D乙的坐標(biāo)中描點(diǎn)作出a-F圖線．槽碼個(gè)數(shù)12345F/N0.490.981.471.962.45a/(m·s－2)0.921.682.322.883.32(4)實(shí)驗(yàn)中畫出的a-F圖線與理論計(jì)算的圖線(圖中已畫出)有明顯偏差，其原因主要是_________________________________.不滿足小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于所掛槽碼的質(zhì)量【解析】探究加速度與力的關(guān)系實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)槽碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量時(shí)，可以認(rèn)為小車受到的拉力等于槽碼重力，如果槽碼質(zhì)量太大，沒有遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，小車受到的拉力明顯小于槽碼重力，實(shí)驗(yàn)誤差較大，a-F圖像不再是直線，而發(fā)生彎曲，變成曲線，故其原因主要是不滿足小車的質(zhì)量遠(yuǎn)大于所掛槽碼的質(zhì)量．針對訓(xùn)練3

某組同學(xué)設(shè)計(jì)了“探究加速度a與物體所受合力F及質(zhì)量m的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)．如圖甲為實(shí)驗(yàn)裝置簡圖，A為小車，B為電火花計(jì)時(shí)器，C為槽碼，D為一端帶有定滑輪的長方形木板，實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為細(xì)繩對小車?yán)等于槽碼的總重力，小車運(yùn)動(dòng)的加速度a可用紙帶上打出的點(diǎn)求得．(1)某次實(shí)驗(yàn)時(shí)，測得小車和小車上的槽碼總質(zhì)量為800g，則槽碼的總質(zhì)量較為合理的是(

)A．50gB．500g

C．5kgD．50kg(2)如圖乙為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶，已知實(shí)驗(yàn)所用電源的頻率為50Hz.根據(jù)紙帶可求出電火花計(jì)時(shí)器打B點(diǎn)時(shí)的速度為_____m/s，小車的加速度大小為_____m/s2.(結(jié)果均保留兩位小數(shù))A1.631.72

(3)在“探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系”時(shí)，某同學(xué)按照自己的方案將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都在坐標(biāo)系中進(jìn)行了標(biāo)注，但尚未完成圖像(如圖丙所示)．請繼續(xù)幫助該同學(xué)作出坐標(biāo)系中的圖像．

答案：根據(jù)描點(diǎn)法作出圖像，如圖所示(4)在“探究加速度a與合力F的關(guān)系”時(shí)，該同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了加速度a與合力F的圖線如圖丁所示，圖線不通過坐標(biāo)原點(diǎn)的原因是_____________________________________.沒有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不夠解析：圖線不通過坐標(biāo)原點(diǎn)，F(xiàn)不為零時(shí)，加速度仍為零，知實(shí)驗(yàn)前沒有平衡摩擦力或者平衡摩擦力不夠．

典例示范例3如圖所示是某同學(xué)探究加速度與力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置．他在氣墊導(dǎo)軌上安裝了一個(gè)光電門B，滑塊上固定一遮光條，滑塊用細(xì)線繞過氣墊導(dǎo)軌左端的定滑輪與力傳感器相連，力傳感器下方懸掛槽碼，每次滑塊都從A處由靜止釋放．(1)該同學(xué)用游標(biāo)卡尺測量遮光條的寬度d.(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)，將滑塊從A位置由靜止釋放，由數(shù)字計(jì)時(shí)器讀出遮光條通過光電門B的時(shí)間t，若要得到滑塊的加速度，還需要測量的物理量是________________________________(用文字表述)．滑塊通過光電門的速度為____(用已知量表示)．(3)下列實(shí)驗(yàn)操作和要求必要的是____(請?zhí)顚戇x項(xiàng)前對應(yīng)的字母)．A．應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平B．應(yīng)測出槽碼和力傳感器的總質(zhì)量C．應(yīng)使A位置與光電門B間的距離適當(dāng)大些D．應(yīng)使滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于槽碼和力傳感器的總質(zhì)量遮光條在A處時(shí)與光電門B的水平距離

AC【解析】

(3)A對：實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將氣墊導(dǎo)軌調(diào)節(jié)水平．B錯(cuò)：滑塊受到的拉力可以由力傳感器測出，實(shí)驗(yàn)不需要測出槽碼和力傳感器的總質(zhì)量．C對：為減小實(shí)驗(yàn)誤差，應(yīng)使A位置與光電門B間的距離適當(dāng)大些．D錯(cuò)：滑塊受到的拉力可以由力傳感器測出，不需要使滑塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于槽碼和力傳感器的總質(zhì)量．針對訓(xùn)練4

在探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)設(shè)計(jì)了如圖甲所示的實(shí)驗(yàn)裝置．力傳感器可測出輕繩中的拉力大?。?1)實(shí)驗(yàn)中為探究加速度與力的關(guān)系，一定要進(jìn)行的操作是_____．A．為減小誤差，實(shí)驗(yàn)中一定要保證砂和砂桶的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量B．用天平測出砂和砂桶的質(zhì)量C．將帶滑輪的長木板右端墊高，以補(bǔ)償阻力D．小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先接通電源，再釋放小車，打出一條紙帶，同時(shí)記錄力傳感器的示數(shù)CD解析：本題拉力可以由力傳感器測出，不需要用天平測出砂和砂桶的質(zhì)量，也就不需要使小桶(包括砂)的質(zhì)量遠(yuǎn)小于車的總質(zhì)量，故A、B項(xiàng)錯(cuò)誤；該題是力傳感器測出的拉力，表示小車受到的合外力，故需要將帶滑輪的長木板右端墊高，以補(bǔ)償阻力，故C項(xiàng)正確；小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，先接通電源，再釋放小車，打出一條紙帶，同時(shí)記錄力傳感器的示數(shù)，故D項(xiàng)正確．(2)在正確操作的前提下，該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中得到如圖乙所示的一條紙帶(兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有四個(gè)點(diǎn)沒有畫出)．已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器采用的是頻率為50Hz的交流電，根據(jù)該紙帶，可求打計(jì)數(shù)點(diǎn)2時(shí)小車的速度大小v2＝______m/s，小車的加速度為_____m/s2(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)．0.4112.00

評(píng)價(jià)檢測?素養(yǎng)達(dá)標(biāo)1.如圖所示是“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)裝置：(1)如圖是實(shí)驗(yàn)時(shí)平衡摩擦力的情形，其中正確的是____(選填字母)．B解析：平衡摩擦力時(shí)，小車要在無拉力的情況下進(jìn)行，不需要掛槽碼，讓小車拖著紙帶勻速下滑，故選項(xiàng)B最恰當(dāng)．

C

2．在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，滲透了研究問題的多種科學(xué)方法：(1)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的等效法：__________________；(2)實(shí)驗(yàn)條件設(shè)計(jì)的科學(xué)方法：____________；(3)實(shí)驗(yàn)原理的簡化：_______，即當(dāng)小車質(zhì)量M車?m槽碼時(shí)，細(xì)繩對小車的拉力大小近似等于槽碼的重力m槽碼g；平衡摩擦力法控制變量法近似法

解析：(1)由于小車運(yùn)動(dòng)受到摩擦阻力，所以要進(jìn)行平衡摩擦力，以減小實(shí)驗(yàn)誤差，稱為平衡摩擦力法；(2)在探究加速度、力與質(zhì)量三者關(guān)系時(shí)，先保持其中一個(gè)量不變，來探究其他兩個(gè)量之間的關(guān)系，稱為控制變量法；(3)當(dāng)小