42實驗探究加速度與力質(zhì)量的關(guān)系（導(dǎo)學(xué)案）（原卷版）高一物理

第2節(jié)實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系導(dǎo)學(xué)案【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1.能夠設(shè)計探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實驗方案。2.能夠完成實驗的操作和測量過程，以及通過控制變量法對數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理，體驗如何平衡摩擦力，減小系統(tǒng)誤差（鉤碼所受的重力不等于小車所受的拉力等）的操作方法。【學(xué)習(xí)重難點(diǎn)】 1.怎樣測量物體的加速度；（重點(diǎn)）2.平衡摩擦力和測量物體所受的合外力；（重點(diǎn)）3.對平衡摩擦力方法的理解以及測量物體所受的合力的方法；（難點(diǎn)）4.指導(dǎo)學(xué)生選器材、設(shè)計方案、進(jìn)行實驗、作出圖像、得出結(jié)論。（難點(diǎn)）【知識回顧】1.牛頓第一定律：一切物體總保持狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)，除非作用在它上面的迫使它改變這種狀態(tài)。2.意義：揭示了運(yùn)動與力的關(guān)系，即力不是維持物體運(yùn)動狀態(tài)的原因，而是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因。3.慣性：物體保持原來狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài)的性質(zhì)叫作慣性。牛頓第一定律也被叫作慣性定律。4.慣性與質(zhì)量：決定物體慣性大小的物理量是它的質(zhì)量，質(zhì)量大的物體慣性。說明慣性大小只由質(zhì)量大小決定，與其他因素?zé)o關(guān)。【自主預(yù)習(xí)】1.實驗方法：法2.實驗思路：本實驗有三個需要測量的量：物體的、物體所受的和物體的。測出它們的值，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。(1)質(zhì)量M：用測量。(2)測量物體的加速度a方案一：利用打出的紙帶測量小車的加速度a。“逐差法”求解加速度：方案二：讓兩個小車做初速度為0的勻加速直線運(yùn)動，在相等的時間內(nèi)，由x＝eq\f(1,2)at2知，把測量加速度轉(zhuǎn)換成測量位移。(3)測物體受到的拉力F方案一：用法補(bǔ)償打點(diǎn)計時器對小車的阻力及其他阻力，小車所受的拉力近似等于槽碼的總重力。阻力補(bǔ)償后，繩的拉力F為小車所受合外力，繩的拉力F＝mg須滿足的條件，其中m為槽碼質(zhì)量，M為小車質(zhì)量。方案二：用測拉力【課堂探究】思考與討論：(1)由牛頓第一定律的學(xué)習(xí)，什么是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因？(2)由牛頓第一定律的學(xué)習(xí)，質(zhì)量的大小對物體狀態(tài)的改變是否有影響？(3)我們知道描述物體狀態(tài)改變的物理量是速度，那么速度變化的快慢我們通常用哪個物理量來描述？(4)加速度與力、質(zhì)量之間存在怎樣的定量關(guān)系呢？一、實驗思路思考與討論：(1)當(dāng)我們要探究某個物理量與另外兩個或多個物理量之間的定量關(guān)系時，我們在探究過程中通常需要如何來做比較合理？(2)我們在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系時，我們應(yīng)當(dāng)如何應(yīng)用控制變量法來進(jìn)行實驗？(3)根據(jù)以上討論，你認(rèn)為實驗過程中我們需要測量哪些物理量呢？(4)為最終實現(xiàn)對加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的探究，你是否可以用以下實驗器材設(shè)計一個或幾個方案完成這一任務(wù)呢？二、物理量的測量（一）物理量的測量1.質(zhì)量的測量：用測量2.加速度的測量：方法一：如果物體做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動，則可利用刻度尺測量位移和秒表測量時間，然后由公式可算出。方法二：利用進(jìn)行實驗，根據(jù)紙帶上打出的點(diǎn)可測量加速度。方法三：利用比值法。由于a=(2x)/t2測出兩個初速度為零的勻加速運(yùn)動在相同時間內(nèi)發(fā)生的位移x1，x2，位移之比就是加速度之比思考與討論：(1)在此實驗中，通過測力計用手直接給小車施加一個恒力是否可行？(2)若不能用測力計直接給小車施加一個恒力，你認(rèn)為哪種方法更合適？(3)此種方法中，對于小車來說，受到幾個力的作用？如何消除沿板方向摩擦力的影響呢？3.力的測量：(1)平衡摩擦力：把軌道的一端，使重力的分力與平衡。(2)具體操作：先不加，軌道無定滑輪一端，使小車連同紙帶下滑，若紙帶上打出點(diǎn)間隔，則為下滑，從而消除摩擦力的影響。(3)注意事項：①多次測量，摩擦力只需要平衡摩擦；②在槽碼的質(zhì)量小車質(zhì)量時，繩的拉力大小等于槽碼重力大小。（學(xué)習(xí)了第三節(jié)后解釋）（二）實驗方案1.方案一：用阻力補(bǔ)償法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實驗裝置如圖4.22所示。把木板的一側(cè)墊高，調(diào)節(jié)木板的傾斜度，使小車在不受牽引時能拖動紙帶沿木板勻速運(yùn)動。通過改變槽碼的個數(shù)而改變小車所受的拉力，通過處理打點(diǎn)計時器打下點(diǎn)的紙帶來測量加速度。保持小車受的拉力不變，通過增減小車中的重物改變小車的質(zhì)量。處理紙帶上打出的點(diǎn)來測量加速度。2.方案二：通過位移之比測量加速度之比將兩輛相同的小車放在水平木板上，前端各系一條細(xì)線，線的另一端跨過定滑輪各掛一個小盤，盤中可以放不同的重物。平衡摩擦后，用黑板擦把兩條細(xì)線同時按壓在木板上。抬起黑板擦，兩小車同時開始運(yùn)動，按下黑板擦，兩小車同時停下來。用刻度尺測出兩小車移動的位移x1、x2。由于兩小車運(yùn)動時間t相同，從它們的位移之比就可以得出加速度之比。在盤中重物相同的情況下，通過增減小車中的重物改變小車的質(zhì)量。三、進(jìn)行實驗與數(shù)據(jù)分析（一）用阻力補(bǔ)償法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系1.實驗步驟：(1)用天平測出小車的質(zhì)量為M0，并把數(shù)值記錄下來。(2)平衡摩擦力后，按圖將實驗器材安裝好。(3)將槽碼通過細(xì)繩系在小車上，接通電源放開小車，用紙帶記錄小車的運(yùn)動情況；取下紙帶并在紙帶上標(biāo)上號碼及此時所掛槽碼的重力m0g。(4)保持小車的質(zhì)量不變，改變所掛槽碼的重力，重復(fù)步驟(3)，多做幾次實驗，每次小車從同一位置釋放，并記錄好槽碼的重力m1g、m2g、…以及計算出相應(yīng)紙帶的加速度填入表格1。表格1(物體的質(zhì)量一定，加速度與受力的關(guān)系)實驗次數(shù)加速度a/(m·s2)小車受力F/N12345(5)保持槽碼的質(zhì)量不變，在小車上加放砝碼，并測出小車與所放砝碼的總質(zhì)量M，接通電源，放開小車，用紙帶記錄小車的運(yùn)動情況，取下紙帶并在紙帶上標(biāo)上號碼。(6)繼續(xù)在小車上加放砝碼，重復(fù)步驟(5)，多做幾次實驗，在每次得到的紙帶上標(biāo)上號碼。(7)計算出每次實驗所得紙帶的加速度值及小車與砝碼的總質(zhì)量填入表格2。表格2(物體受到的外力一定，加速度與質(zhì)量的關(guān)系)實驗次數(shù)加速度a/(m·s2)小車與砝碼總質(zhì)量M/kg小車與砝碼總質(zhì)量的倒數(shù)1/M(/kg1)123452.數(shù)據(jù)分析：(1)a－F圖像（請同學(xué)們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪制）(2)a－M圖像（請同學(xué)們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪制）(3)a－1/M圖像（請同學(xué)們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪制）（二）通過位移之比法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系1.實驗步驟：(1)用天平測出小車和托盤的質(zhì)量，并把數(shù)值記錄下來。(2)平衡摩擦力后，按圖將實驗器材安裝好。(3)保持兩小車的質(zhì)量相同且不變，改變兩個所掛托盤中砝碼的數(shù)量，多做幾次實驗，記錄好兩個托盤和砝碼的重力作為兩小車的拉力F，以及用刻度尺測量出每次兩個小車發(fā)生的位移x，填入表格3。表格3(物體的質(zhì)量一定，加速度與受力的關(guān)系)次數(shù)小車?yán)/NF1/F2位移x/mx1/x21甲乙2甲乙3甲乙4甲乙(4)保持兩小車所掛兩個托盤和其中砝碼的質(zhì)量相同且保持不變，改變兩小車中砝碼質(zhì)量，多做幾次實驗，記錄小車和所加砝碼的質(zhì)量M，以及用刻度尺測量出每次兩個小車發(fā)生的位移x，填入表格4。表格4(物體受到的外力一定，加速度與質(zhì)量的關(guān)系)次數(shù)小車質(zhì)量M/kgM1/M2位移x/mx1/x21甲乙2甲乙3甲乙4甲乙2.數(shù)據(jù)分析：(1)x1/x2F1/F2圖像（請同學(xué)們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪制）(2)x1/x2M2/M1圖像（請同學(xué)們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪制）四、實驗結(jié)論與誤差分析（一）實驗結(jié)論1.保持物體質(zhì)量不變時，物體的加速度a與所受合外力F成。2.在力F不變時，物體的加速度a與質(zhì)量M成。（二）誤差分析1.在實驗中，我們認(rèn)為槽碼的重力就等于小車所受的合力。但這是有誤差的，只有在小車質(zhì)量比較大，槽碼質(zhì)量比較小且長木板合理傾斜的情況下，實驗結(jié)果才比較理想。2.質(zhì)量測量、長度測量中也存在偶然誤差，可通過多次測量取平均值的方法來減小誤差。3.阻力補(bǔ)償不準(zhǔn)而造成誤差。4.描點(diǎn)作圖時存在誤差。課堂小結(jié)：【自我測評】1．在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗中，采用如圖甲所示的裝置。本實驗采用的實驗方法是控制變量法，下列說法中正確的是（）

A．在探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系時，應(yīng)改變小車所受拉力的大小B．在探究加速度與外力的關(guān)系時，應(yīng)改變小車的質(zhì)量C．在探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系時，作出a－圖像容易更直觀判斷出二者間的關(guān)系D．無論在什么條件下，細(xì)線對小車的拉力大小總等于砝碼盤和砝碼的總重力大小2．實驗室用滑輪、小車、打點(diǎn)計時器、砂桶、細(xì)線、紙帶等實驗器材組成如圖所示實驗裝置可以完成多個力學(xué)實驗．利用該裝置進(jìn)行如下實驗時，以下說法正確的是（）A．在“探究加速度a與小車質(zhì)量M關(guān)系”時每次改變小車質(zhì)量之后不需要重新補(bǔ)償阻力B．在“探究加速度a與力F關(guān)系”時可以直接用測量加速度C．在“研究勻變速直線運(yùn)動”時必須補(bǔ)償阻力D．在“研究勻變速直線運(yùn)動”時必須使砂和砂桶總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量3．圖示為某實驗小組“探究物體加速度與所受合外力關(guān)系”的實驗裝置。關(guān)于該實驗操作正確的是（）A．物塊應(yīng)靠近打點(diǎn)計時器，先接通電源，再釋放物塊，打出紙帶，同時記錄力傳感器的示數(shù)B．補(bǔ)償阻力時應(yīng)穿好紙帶，用細(xì)繩繞過滑輪連接托盤（不放砝碼），能讓物塊勻速下滑即可C．為減小誤差，實驗中托盤和砝碼的總質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)小于物塊和傳感器的總質(zhì)量D．實驗中需要用天平稱量托盤和砝碼的總質(zhì)量4．在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗中，保持小車的質(zhì)量不變，改變小車所受的作用力，測得的數(shù)據(jù)見下表。組別12345F/N1.02.03.04.05.0a/（m/s2）0.400.831.181.582.00（1）如圖所示的坐標(biāo)紙上已描出了部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)，請在坐標(biāo)紙上描出第2、4組數(shù)據(jù)對應(yīng)的點(diǎn)，然后作出a-F圖像。

（2）由所作圖線可以得到結(jié)論：在質(zhì)量一定的情況下，加速度a與作用力F成比。（3）當(dāng)研究加速度與物體質(zhì)量的關(guān)系時，應(yīng)保持不變，改變小車的質(zhì)量來進(jìn)行實驗。5．某同學(xué)設(shè)計了一個“探究加速度a與物體所受合力F及物體質(zhì)量m關(guān)系”的實驗，如圖所示為實驗裝置簡圖（交流電源的頻率為50Hz）。

（1）如圖所示為某次實驗得到的紙帶，根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為m/s2（保留兩位有效數(shù)字）。

（2）保持槽碼的質(zhì)量不變，改變小車質(zhì)量m，分別得到小車加速度a與質(zhì)量m及對應(yīng)的，數(shù)據(jù)如下表。序號12345678小車加速度a/（m·s2）1.901.721.491.251.000.750.500.30小車質(zhì)量m/kg0.250.290.330.400.500.711.001.67/kg14.003.453.032.502.001.411.000.60請在如圖所示的坐標(biāo)紙中畫出圖線，由圖線可得小車的加速度a與質(zhì)量的倒數(shù)之間的關(guān)系式為。

6．圖1為“用DIS研究物體的加速度與力的關(guān)系”的實驗裝置圖，A為帶有位移傳感器的小車，B為若干規(guī)格相同的回形針。實驗中，用回形針的重力大小代替小車所受拉力大小，摩擦阻力不計。（1）為了研究物體的加速度與力的關(guān)系，實驗中應(yīng)保持