高中物理第二节 加速度与力、质量之间的关系备课课件ppt

这是一份高中物理第二节 加速度与力、质量之间的关系备课课件ppt，共60页。PPT课件主要包含了课前·自主预习，课堂·重难探究，实验原理和实验操作，数据处理和误差分析，实验改进与创新，核心素养应用，小练·随堂巩固等内容，欢迎下载使用。
1．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．
2．实验思路．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，再来探究其他两个量之间的关系.3．实验器材．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、交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺．
4．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：按如图所示将实验器材安装好(小车上不系绳)．(3)平衡摩擦力：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滑行，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，即等于小车受到的拉力F.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，…，即等于小车受到的拉力F2，F3，…
(5)测a、M.①保持小车所受的合外力不变(所挂小盘和砝码总重力不变)，在小车上加砝码，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，并在纸带上标上号码及小车和砝码的总质量M1.②继续在小车上增加砝码，重复步骤①，多做几次实验，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M2，M3，…
5．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，用直线拟合测量点，找出规律，分析a与F的关系．
(2)把不同质量的小车(小车和砝码)在相同力的作用下产生的加速度大小填在表中.
6．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．7．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．因此要求m小盘总≪M小车总，原因在学完牛顿第二定律后可自行分析．(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以及作图不准确，都会引起误差．
8．注意事项．(1)平衡摩擦力时不要挂重物．整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变小盘和砝码的质量还是改变小车和砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力．(2)实验中必须使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．
9．用气垫导轨装置探究加速度与力、质量的关系．(1)器材：气垫导轨装置、数字计时器、光电门两个、遮光条、小桶、细线、刻度尺、游标卡尺、天平、气源、电源．(2)安装：测出遮光条的宽度Δs，并按照图示装置安装好光电门、数字计时器、滑块、遮光条，测出两光电门间的距离s，连接电源、气源．
(3)调平(不安装小桶)：接通电源、气源，调节平衡装置，轻轻推一下滑块，直到滑块通过两光电门的时间相等，则气垫导轨水平．(4)记录：滑块和遮光条的质量M，通过绕过定滑轮的细线连接滑块和小桶，测量小桶和桶中橡皮泥的质量m.(5)测量：将定滑轮置于光电门1右侧，并释放，通过数字计时器记录滑块分别通过两个光电门的时间Δt1，Δt2.(6)注意：两光电门不能靠得太近，要使s≫Δs；细线长度适中，滑块通过两个光电门时小桶都不会落到地面上．
(8)探究加速度与力的定量关系：保持滑块质量M不变，多次增减小桶中的橡皮泥，重复步骤(4)(5)．记录如下表，并在坐标纸中作出a－F图像．滑块质量M＝________kg
例1　在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系时，采用如图所示的实验装置，小车及车中的砝码的总质量用M表示，盘及盘中砝码的总质量用m表示，小车的加速度可由小车后面拖动的纸带上的由打点计时器打出的点计算得出．
(1)当M与m的大小关系满足________时，才可以认为细线对小车的拉力大小等于盘和盘中砝码的重力．(2)一组同学在保持盘及盘中的砝码质量一定的情况下，探究加速度与小车质量的关系．以下做法正确的是(　　)A．平衡摩擦力时，应将盘及盘中砝码用细线绕过定滑轮系在小车上B．每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力C．实验时，先放开小车，再接通打点计时器电源
(3)在保持小车及车中的砝码质量M一定，探究加速度与所受合外力的关系时，由于平衡摩擦力时操作不当，两位同学得到的a－F关系分别如图中甲、乙所示(a是小车的加速度，F是细线作用于小车的拉力)．出现以下情况的原因分别是：甲图：________________.乙图：________________.【答案】(1)m≪M　(2)B　(3)木板的倾角过大　木板倾角过小，或没被垫高
【解析】(1)本实验用小盘及砝码总重力代替拉力，即F≈mg，前提要求m≪M.(2)平衡摩擦力时，先去掉盘、盘中砝码和细线，只让小车在重力沿斜面方向的分力作用下向左运动，当小车能匀速运动时，重力沿斜面方向的分力和摩擦力平衡，故A错误；调好后，当再次改变小车质量时，无须再平衡摩擦力，B正确；实验时，要先接通打点计时器的电源，使打点计时器正常工作，再释放小车，C错误．(3)由甲图可看出，F＝0时，a≠0，说明木板的倾角过大，不加拉力就运动了．由乙图可看出，只有当F达到一定值时，才会有加速度，说明木板倾角过小，拉动时有摩擦力阻碍．
变式1　为了探究物体质量一定时加速度与力的关系，某同学设计了如图甲所示的实验装置，其中M为小车和小车上滑轮的总质量，m为沙和沙桶的总质量，力传感器可测出轻绳中的拉力大小．
(1)下列实验操作中，一定要进行的是________．A．用天平测出沙和沙桶的总质量B．将带滑轮的长木板右端适当垫高，以平衡摩擦力C．调整力传感器和定滑轮的高度，使连接它们的轻绳与长木板平行D．为减小误差，一定要保证m远小于M
(2)该同学在实验中得到如图乙所示的一条纸带(相邻两计数点间还有四个点没有画出)，已知打点计时器采用的是频率为50 Hz的交流电源，根据纸带可求出小车的加速度为________m/s2(结果保留三位有效数字)．(3)该同学以力传感器的示数F为横坐标，加速度a为纵坐标，画出的a－F图像是一条过原点的直线(图像没有画出)，这说明当质量一定时，小车的加速度与受力成________．【答案】(1)BC　(2)2.00　(3)正比
【解析】(1)本题拉力可以由力传感器测出，不需要用天平测出沙和沙桶的质量，也就不需要使小桶(包括沙)的质量远小于车的总质量，故A、D错误；该题是力传感器测出拉力，从而表示小车受到的合外力，故需要将带滑轮的长木板右端垫高，以平衡摩擦力，故B正确；调整力传感器和定滑轮的高度，使连接它们的轻绳与长木板平行，故C正确．
(2)由于两计数点间还有四个点没有画出，故相邻计数点的时间间隔为0.1 s，由Δx＝aT2可得(3)对a－F图像来说，a与F成正比，又由图可知小车所受拉力为2F，因此加速度与所拉受力成正比．
本实验用到的物理方法及注意事项
例2　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关系的实验，如图甲为实验装置简图(交变电流的频率为50 Hz)．(1)图乙为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为________m/s2(结果保留两位有效数字)．
(3)保持小车的质量不变，改变沙和沙桶的总质量，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，其主要原因是：____________________________.(3)木板没垫小木块或垫了后木板倾角不够大
【解析】(1)在连续相等的时间间隔内，从纸带上可得到四段位移的大小，可以选用公式法计算加速度．由题图乙可知x1＝6.19 cm，x2＝6.70 cm，x3＝7.21 cm，x4＝7.72 cm，
(3)由a－F图线知F增大至某值时物体才开始有加速度，木板没垫小木块或垫了但倾角不够大，有摩擦力阻碍．
变式2　在“探究加速度与力、质量的关系”这一实验中：(1)甲、乙两位同学根据实验数据画出的小车加速度a与小车所受拉力F的图像分别为图甲中的直线Ⅰ和直线Ⅱ，直线Ⅰ、Ⅱ在纵轴或横轴上的截距较大，明显超出了误差范围，下面给出了关于形成这两种情况原因的四种解释，其中可能正确的是________．A．实验前甲同学没有将长木板的末端抬高或抬高不够B．甲同学在平衡摩擦力时把长木板的末端抬得过高了C．实验前乙同学没有将长木板的末端抬高或抬高不够D．乙同学在平衡摩擦力时，把长木板的末端抬得过高了
(2)如图乙给出了该次实验中从O点开始，每5个点取一个计数点的纸带(频率为50 Hz)，其中1,2,3,4,5都为计数点，其中x1＝1.41 cm，x2＝1.91 cm，x3＝2.39 cm，x4＝2.91 cm.由纸带数据计算可得计数点4所代表时刻的瞬时速度v4＝________m/s，小车的加速度a＝________m/s2.【答案】(1)BC　(2)0.265　0.495
【解析】(1)Ⅰ直线表明在小车的拉力为0时，小车就开始运动，说明平衡摩擦力过度，即把长木板的末端抬得过高了，故A错误，B正确；Ⅱ直线说明在拉力大于0时，小车还不开始运动，说明没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足，也就是没有将长木板的末端抬高或抬高不够，故C正确，D错误．
探究牛顿第二定律中的图像问题此实验图像通常会出现如下情形．
1．不经过原点的原因：3、6的延长线不经过原点，是因为平衡摩擦力不足(或气垫导轨往小桶对侧倾斜了)，已经施加了外力却没加速度(或M有限且有力作用时却不动)；1、4的延长线不经过原点，是因为平衡摩擦力太多(或气垫导轨往小桶侧倾斜了)，没力作用时就能运动(或M无限大时还能被拉动)．2．曲线都弯曲的原因是m≪M不再成立，所以实验中一定要保证m≪M.学完牛顿第二定律后大家可尝试推导解释一下．
例3　某实验小组用如图甲所示的装置探究质量一定时加速度与力的关系．用铁架台将两块固定有定滑轮的木板架起，木板的右端固定了两个打点计时器，将两个质量相等的小车A、B放置在木板右端，用细线绕过滑轮组(质量很小，忽略不计)后与两小车相连．两条纸带穿过打点计时器后分别与小车连接在一起．将两个打点计时器接在同一个电源上，确保可将它们同时打开或关闭．实验时，甲同学将两小车按住，乙同学先在动滑轮下方挂上一个钩码，再接通电源使打点计时器开始工作．打点稳定后，甲将两辆小车同时释放．在小车撞到定滑轮前，乙断开电源，两打点计时器同时停止工作，取下两条纸带，通过分析处理纸带记录的信息，可以求出两小车的加速度，进而完成实验．请回答以下问题：
(1)图乙为小车A后面的纸带，纸带上的0,1,2,3,4,5,6为每隔4个打印点选取的计数点，相邻两计数点间的距离如图乙中标注，单位为cm.打点计时器所用电源的频率为50 Hz，则小车A的加速度a1＝______m/s2(结果保留两位有效数字)，同样测出小车B的加速度a2，若a1∶a2近似等于________，就可说明质量一定的情况下，物体的加速度与力成正比．(2)丙同学提出，不需测出两小车加速度的数值，只量出两条纸带上从第一个打印点到最后一个打印点间的距离x1、x2，也能完成实验探究，若x1∶x2近似等于________，也可说明质量一定的情况下，物体的加速度与力成正比，理由是__________________________________.
变式3　探究“加速度与力、质量关系”的实验装置如图甲所示，小车后面固定一条纸带，穿过电火花计时器，细线一端连着小车，另一端通过光滑的定滑轮和动滑轮与挂在竖直面内的拉力传感器相连，拉力传感器用于测小车受到拉力的大小．
(1)关于平衡摩擦力，下列说法正确的是________．A．平衡摩擦力时，需要在动滑轮上挂上钩码B．改变小车质量时，需要重新平衡摩擦力C．改变小车拉力时，不需要重新平衡摩擦力(2)实验中________(填“需要”或“不需要”)满足所挂钩码质量远小于小车质量．
(3)某同学根据实验数据作出了加速度a与力F的关系图像如图乙所示，图线不过原点的原因是________．A．钩码质量没有远小于小车质量B．平衡摩擦力时木板倾角过大C．平衡摩擦力时木板倾角过小或未平衡摩擦力【答案】(1)C　(2)不需要　(3)B
【解析】(1)平衡摩擦力时，不需要在动滑轮上挂上钩码，故A错误；实验过程改变小车质量时，不需要重新平衡摩擦力，故B错误；实验前平衡摩擦力后，在实验过程中改变小车拉力时，不需要重新平衡摩擦力，故C正确．(2)小车所受拉力可以由力传感器测出，不需要满足钩码质量远小于小车质量．(3)由图示图像可知，拉力为零时小车已经开始运动，这是由于木板倾角过大造成的，故B正确，A、C错误．
物理实验的研究方法实验是自然科学研究的重要方法，也是自然学科教学的重要手段，实验能力是高考考查的重要能力之一．新教材对实验能力的培养提出了更高的要求．搞清楚实验的研究方法很重要，高中物理教学中常见的八条实验研究方法分别为：理想化法、平衡法、放大法、累积法、转换法、控制变量法、留迹法和模拟法．其中有些方法我们已经了解，有些还没有用过，在以后的学习中我们会一一了解的．
例4　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)实验原理的简化用到了________法：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的大小．(5)在(4)中实验数据处理的科学方法：____________.(以上各小题均填“理想实验法”“图像法”“平衡摩擦力法”“化曲为直法”“控制变量法”或“近似法”)
【答案】(1)平衡摩擦力法　(2)控制变量法(3)近似　(4)化曲为直法　(5)图像法【解析】(1)由于小车运动受到摩擦阻力，所以要平衡摩擦力，以减小实验误差，称为平衡摩擦力法．(2)在探究加速度、力与质量三者关系时，保持其中一个量不变，探究其他两个量之间的关系，称为控制变量法．
(3)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，称为近似法．(5)通过图像研究实验的结果，称为图像法．
1．关于“探究加速度与力、质量的关系”实验，下列说法正确的是(　　)A．本实验采用的方法是控制变量法B．探究加速度与质量的关系时，应该改变拉力的大小C．探究加速度与力的关系时，作a－F图像应该用线段依次将各点连接起来D．探究加速度与质量的关系时，为了直观判断两者间的关系，应作出a－M图像【答案】A　
2．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关系的实验，图甲为实验装置简图．(交流电源的频率为50 Hz)(1)图乙为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为______m/s2.(结果保留两位有效数字)
(2)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的变化图线，如图所示．该图线不通过原点，请你分析其主要原因是_____________________________.【答案】(1)3.2　(2)没在木板一端垫小木块或垫后木板倾角过小，有摩擦阻碍
(2)图线中有拉力了小车还没开始运动，说明有摩擦阻碍．
3．在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，某同学使用了如图甲所示的装置，其中沙桶质量为m，小车质量为M，打点计时器使用的交变电流的频率为50 Hz.(1)实验前，在进行平衡摩擦力的操作时，下列注意事项正确的是________．A．应该让小车连接纸带并穿过打点计时器B．必须让小车连接沙桶C．纸带和沙桶都应连接D．改变小车质量时，需要重新平衡摩擦力
(2)该同学得到一条纸带，在纸带上取连续的六个点，如图乙所示，自A点起，相邻两点的距离分别为10.1 mm、12.0 mm、14.1 mm、16.0 mm、18.0 mm，则打E点时小车速度为______m/s，小车的加速度为______ m/s2.(结果保留一位小数)(3)该实验用到了________法，为了让沙桶的总重力表示绳子的拉力，应该满足________________条件．(4)该同学通过数据的处理作出了a－F图像，如图丙所示，则图中直线不过原点的原因可能是__________________________．
【答案】(1)A　(2)0.85　4.9　(3)控制变量　m远小于M　(4)木板倾角过大，平衡摩擦力过度【解析】(1)平衡摩擦力时让小车拖着纸带运动，根据纸带点迹判断小车是否做匀速直线运动，但不能连接沙桶，平衡完摩擦力后，改变小车质量，因为倾角未变，无须重新平衡摩擦力，故A正确，B、C、D错误．