高中物理2 探究加速度与力、质量的关系多媒体教学课件ppt

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一、实验原理、思路及需要测量的物理量1．实验原理实验的探究方法——控制变量法．(1)保持研究对象即小车的质量不变，改变重物的质量，即改变拉力，测出小车运动对应的加速度，探究加速度是否正比于作用力．(2)保持重物的质量不变，即保持作用力不变，改变研究对象即小车的质量，测出对应不同质量小车的加速度，探究加速度是否反比于质量．
2．基本思路(1)加速度与力的关系①实验的基本思路：测量质量m一定的物体在不同的力F作用下的加速度a，分析a与F的关系．
②实验数据的分析：设计表，记录数据．在图1所示的坐标系内，作出a - F图像．
(2)加速度与质量的关系①实验的基本思路：F －定，测量不同质量m的物体在同一力F作用下的加速度a，分析a与m的关系．
3．三个物理量的测量方法放在长木板上的小车在拉力的作用下做匀加速直线运动．(装置如图所示)
实验中需要测量的物理量有三个：小车的加速度、小车所受的力、小车的质量．(1)小车质量的测量利用天平测出，在小车上增减砝码可改变小车的质量．(2)拉力的测量当重物的质量远小于小车的质量时，可以认为重物的重力近似等于细绳对小车的拉力．(3)加速度的测量在运动物体上连接一条穿过打点计时器的纸带，根据纸带上打出的点来计算加速度．利用在匀变速直线运动中，连续相等的时间T内的位移之差Δx＝aT2求出加速度．
[导学]　平衡摩擦力(1)为何平衡摩擦力？为了让细绳拉小车的力等于小车所受的合外力，即T＝F合．
(2)平衡摩擦力应注意以下几点①不挂重物．②垫高长木板远离滑轮的一端．③连好纸带后接通打点计时器，调节倾角，当纸带上打出的点迹均匀分布时，说明已经平衡了摩擦力．
②恒力的大小：在图2所示的实验方案中，取两个质量相同的小车放在光滑水平面上，小车的前端各系上细绳，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘中放有数目不等的砝码，使两小车自静止开始在不同拉力作用下做匀加速直线运动，小车所受拉力F的大小认为近似等于砝码和盘所受重力的大小(保证小车的质量比砝码和盘的总质量大得多).
探究点一　实验原理与实验操作【典例示范】题型1　对实验目的、原理与器材的考查例1 如图所示是某同学做“探究加速度与力、质量的关系”实验时，已接通电源正要释放小车时的情况．请你指出该同学的五个差错．
(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：______________________________________________．
应用约8 V的交流电源
应使小车左端的细线与长木板平行
为使小车所受拉力等于小车合力，应垫高右端以平衡摩擦力
解析：细线应沿与长木板平行的方向拉小车；打点计时器应用交变电源；为获得更多实验数据，打点计时器靠近木板最右端，小车靠近打点计时器．
题型2　实验操作例2 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与小车质量M的关系，某位同学设计的实验步骤如下：A．用天平称出小车和砝码的质量B．按图示安装好实验器材C．把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂砝码D．将电磁打点计时器接在约8 V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，并在纸带上标明小车的质量
E．保持砝码的质量不变，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)该同学漏掉的重要实验步骤是___________，该步骤应排在________步实验之后．(2)在上述步骤中，有错误的是________，应把_______________改为____________________．(3)在上述步骤中，处理不恰当的是____，应把________改为______.
6 V交流电压的学生电源
素养训练1　在探究加速度与力、质量的关系活动中，某小组设计了如图所示的实验装置．图中上下两层水平轨道表面光滑，两小车前端系上细线，细线跨过滑轮并挂上砝码盘，两小车尾部细线连到控制装置上，实验时通过控制装置使两小车同时开始运动，然后同时停止．
(1)在安装实验装置时，应调整滑轮的高度，使____________________；在实验时，为减小系统误差，应使砝码盘和砝码的总质量________(选填“远大于”“远小于”或“等于”)小车的质量．(2)本实验通过比较两小车的位移来比较小车加速度的大小，能这样比较，是因为________________________________________________.
细线与轨道平行(或水平)
两小车从静止开始做匀加速直线运动，且两小车的运动时间相等
素养训练2　为了探究物体的加速度与质量的关系，某同学设计了如图所示的实验装置，装置中有打点计时器、纸带、带滑轮的长木板(滑轮光滑)、垫块、小车和砝码(总质量用M表示)、砂和砂桶(总质量用m表示)、刻度尺等，请回答下列问题：
(1)图中将长木板一端适当垫高的目的是__________________，当检测到________________________时可认为该目的达到．(2)实验时，可以通过改变小车中砝码的个数来改变小车的质量，在完成本实验时，为了使砂桶和砂的总重力近似等于小车的牵引力，应满足_______(用题中所给物理量的符号表示).(3)下列是实验中的相关操作和有关分析，其中正确的是________．A．小车释放前应靠近打点计时器，且在释放小车前应先接通打点计时器的电源B．每次改变小车(包括车中砝码)的质量时，不需要重新平衡摩擦力C．为了直观判断加速度和质量的关系，应作出a - M图像D．将砂桶和砂的总重力近似地当成小车的牵引力会给实验带来系统误差
小车带着纸带做匀速直线运动
探究点二　实验数据处理及实验方案的改进【典例示范】题型1　数据处理及分析例3 在做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时，计算出各纸带的加速度后，将测得的反映加速度a和力F关系的有关资料记录在表一中，将测得的反映加速度a和质量M关系的有关资料记录在表二中．表一
题型2　实验方案的改进及创新
例4 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，当滑块通过G1、G2光电门时，光束被挡住的时间Δt1、Δt2都可以被测量并记录．滑块连同上面固定的挡光片的总质量为M，挡光片宽度为D，光电门间距离为s，牵引砝码的质量为m.回答下列问题：
(1)实验开始前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，如何判定调节是否到位？答：__________________________________________________________________________________________________________________.(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 g B．m2＝15 gC．m3＝40 g D．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，其中求得的加速度的表达式为______________(用Δt1、Δt2、D、x表示).
取下牵引钩码，滑块放在任意位置都不动；或取下牵引钩码，轻推滑块，数字计时器记录的两个光电门的光束被遮挡的时间相等．
素养训练3　为了探究质量一定时加速度与力的关系，一同学设计了如图所示的实验装置．其中带滑轮的小车的质量为M，沙和沙桶的质量为m.(滑轮质量不计)
(1)下列实验步骤中，实验时一定要进行的操作是________．A．用天平测出沙和沙桶的质量B．将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力C．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，同时记录弹簧测力计的示数D．为减小误差，实验中一定要保证沙和沙桶的总质量m远小于小车的质量M
解析：A、D错：本实验中拉力可以由弹簧测力计测出，故不需要测出沙和沙桶的质量，也不需要使沙和沙桶的总质量远小于小车的质量．B对：用弹簧测力计测出拉力，从而得到小车受到的合外力，故需要将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力．C对：使用打点计时器时，应先接通电源，再释放小车，该实验探究的是质量一定时加速度与力的关系，要记录弹簧测力计的示数．
(2)该同学在实验中得到如图所示的一条纸带(两相邻计数点间还有四个点)，测得：x1＝1.40 cm，x2＝1.90 cm，x3＝2.38 cm，x4＝2.88 cm，x5＝3.39 cm，x6＝3.87 cm.小车加速度的大小是________m/s2.已知打点计时器采用的是频率为50 Hz的交变电源(结果保留两位有效数字).
2．在探究加速度与力、质量的关系实验中，采用如图所示的实验装置，小车的质量用M表示，盘及盘中砝码的质量用m表示，小车的加速度可根据小车拖动的纸带上由打点计时器打出的点计算出．
(1)当M与m的大小关系满足________时，才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘及盘中砝码的总重力．(2)在保持小车的质量M－定，探究加速度与所受合力的关系时，由于平衡摩擦力时操作不当，有位同学得到的a - F关系图像如图所示，其原因是_____________________________.
平衡摩擦力不够或没有平衡摩擦力
解析：(1)由于盘及盘中砝码所受重力只是近似等于小车所受拉力，为了尽量减小误差，应使盘及盘中砝码的质量m与小车质量M之间的关系满足M≫m.(2)由a - F图像可知，其不过原点的原因是平衡摩擦力不够或没有平衡摩擦力．
4．“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置如图甲所示．
(1)当小车(包括车中砝码)的质量M与砝码盘(包括砝码)的总质量m的大小关系满足________时，才可以认为绳对小车的拉力大小等于砝码盘(包括砝码)的总重力．(2)在平衡小车与桌面之间的摩擦力的过程中，打出了一条纸带如图乙所示．打点计时器的打点间隔为0.02 s．从比较清晰的点起，每五个点取一个计数点，测量出相邻两计数点之间的距离．则该小车的加速度a＝________m/s2(结果保留2位有效数字).(3)图丙是A、B两同学根据实验数据画出的图像，形成图线①的原因是_____________，形成图线②的原因是_______________________．
未平衡摩擦力或平衡摩擦力不充分
5．如图所示是小明同学探究加速度与力的关系的实验装置，他在气垫导轨上安装了一个光电门B，滑块上固定一遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从A处由静止释放．
(1)已知遮光条的宽度为d.(2)实验时，将滑块从A位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t，若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量c是________________________________(用文字表述).滑块通过光电门的速度为________(用已知量表示).(3)小亮同学认为无需测出上述c和d，只要画出以F(力传感器示数)为横坐标，以________为纵坐标的图像就能直接反映加速度与力的关系．(4)下列实验操作和要求必要的是________(填选项前对应的字母).A．应将气垫导轨调节水平B．应测出钩码和力传感器的总质量C．应使A位置与光电门间的距离适当大些D．应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量
A位置处遮光条到光电门B之间的距离