高中物理 第四章 牛頓運(yùn)動定律 4.2 實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系優(yōu)質(zhì)課件 新人教版必修1

1、12 2實(shí)驗(yàn):探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系2一二三四一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.用控制變量法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。即(1)物體的質(zhì)量一定時,探究加速度與力的關(guān)系;(2)物體受力一定時,探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系。2.學(xué)會用圖象法處理數(shù)據(jù)得出結(jié)論。3一二三四二、實(shí)驗(yàn)器材打點(diǎn)計(jì)時器、紙帶及復(fù)寫紙、低壓交流電源、導(dǎo)線、一端帶有定滑輪的長木板、小車、細(xì)繩、重物、天平、刻度尺。4一二三四三、實(shí)驗(yàn)原理1.當(dāng)研究三個物理量之間的關(guān)系時,先要保持某個量不變,研究另外兩個量之間的關(guān)系,再保持另一個量不變,研究其余兩個量之間的關(guān)系,然后綜合起來得出結(jié)論。這種研究問題的方法叫作控制變量法,這種方法是物理學(xué)中研究和處理問題時經(jīng)常

2、采用的方法。本節(jié)使用的方法就是“控制變量法”。(1)保持物體的質(zhì)量不變,測量物體在不同外力作用下的加速度,分析加速度與外力的關(guān)系。探究過程中可以采用根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖象的方法,也可以采用比較的方法,看不同的外力與其產(chǎn)生的加速度的比值有何關(guān)系。(2)保持物體所受外力相同,測量不同質(zhì)量的物體在該力作用下的加速度,分析加速度與質(zhì)量的關(guān)系。探究過程中采用根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖象的方法。5一二三四2.本實(shí)驗(yàn)要測量的物理量有質(zhì)量、加速度和力。測量質(zhì)量用天平,需要研究的是怎樣測量加速度和力。(1)測量加速度的方案:采用較多的方案是運(yùn)用打點(diǎn)計(jì)時器在與運(yùn)動物體連接的紙帶上打點(diǎn),借助紙帶上打出的點(diǎn),根據(jù)連續(xù)相等的時間

3、間隔T內(nèi)的位移差相等即x=aT 2求出加速度。條件許可的情況下,也可以采用氣墊導(dǎo)軌和光電門。由于本實(shí)驗(yàn)的目的是探究加速度與力、加速度與質(zhì)量間的比例關(guān)系,因而也可不測加速度的具體數(shù)值,而測不同條件下加速度的比值。若兩物體做初速度為0的勻加速運(yùn)動,6一二三四(2)測量物體所受的外力的方案:由于上述測量加速度的方案只能適用于勻變速直線運(yùn)動,所以我們必須給物體提供一個恒定的外力,并且要測量這個外力。教材的參考案例提供的外力比較容易測量,采用這種方法是不錯的選擇。以教材提供的實(shí)驗(yàn)“參考案例”為例,教材圖4.2-4所示實(shí)驗(yàn)裝置中,為實(shí)驗(yàn)研究對象小車(連同車內(nèi)的砝碼)提供恒力的是所掛重物小盤和砝碼。實(shí)驗(yàn)中我

4、們認(rèn)為,使小車做勻加速運(yùn)動的力,與小盤和砝碼的重力大小相等。為此,必須滿足以下兩個實(shí)驗(yàn)條件:水平板應(yīng)盡可能光滑,并將木板連接打點(diǎn)計(jì)時器一端墊高到一個合適的角度,使連有紙帶的小車(未掛小盤)在上面輕輕一推便恰能勻速下滑為止。即用小車重力沿斜面方向的分力平衡摩擦力。在改變物體的質(zhì)量時,應(yīng)保持小車與其中砝碼的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于盤與盤中砝碼的質(zhì)量。7一二四三四、實(shí)驗(yàn)步驟1.用天平測出小車和重物的質(zhì)量分別為m0、m0,并把數(shù)值記錄下來。2.按圖將實(shí)驗(yàn)器材安裝好(小車上不系繩)。3.平衡摩擦力,把木板無滑輪的一端下面墊一薄木塊,反復(fù)移動其位置,直到打點(diǎn)計(jì)時器正常工作后不掛重物的小車在斜面上做勻速直線運(yùn)動為止(所

5、打紙帶上相鄰點(diǎn)間距相等)。8一二四三4.將重物通過細(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)上號碼及此時所掛重物的重力m0g。5.保持小車的質(zhì)量不變,改變重物的重力,重復(fù)步驟4,多做幾次實(shí)驗(yàn),每次小車從同一位置釋放,并記錄好重物的重力m1g、m2g以及計(jì)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9一二四三6.保持重物的質(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。7.繼續(xù)在小車上加放砝碼,重復(fù)步驟6,多做幾次實(shí)驗(yàn),在每次得到的紙帶上標(biāo)上號碼

6、。10一二四三8.計(jì)算出每次實(shí)驗(yàn)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 11一二三一、實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意的事項(xiàng)1.平衡摩擦力時不要掛重物,在小車后拖上紙帶,先接通電源,再用手給小車一個初速度。若在紙帶上打出的點(diǎn)的間隔是均勻的,表明平衡了摩擦力,否則必須重新調(diào)整小木塊的位置。整個實(shí)驗(yàn)過程平衡了摩擦力后,不管以后是改變重物質(zhì)量還是改變小車及砝碼的質(zhì)量,都不需要重新平衡摩擦力。平衡摩擦力是指小車所受動力(重力沿斜面向下的分力)與小車所受阻力(包括小車所受摩擦力和打點(diǎn)計(jì)時器對小車所拖紙帶的摩擦力)大小相等。12一二三2.平衡摩擦力之后,每次實(shí)驗(yàn)必須滿足

7、小車和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于所掛重物的質(zhì)量的條件,只有如此,所掛重物的重力才可視為與小車所受拉力相等。3.每次準(zhǔn)備釋放小車時,小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時器,應(yīng)先接通電源再放開小車,當(dāng)小車靠近滑輪時用手按住小車。4.作圖象時,要使盡可能多的點(diǎn)在一條直線上,不在直線上的點(diǎn)要盡可能對稱分布在直線兩側(cè),離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)誤差較大,可舍去。13一二三二、數(shù)據(jù)處理1.分析加速度和力的關(guān)系依據(jù)表格1,以加速度a為縱坐標(biāo),以外力F為橫坐標(biāo),作出a-F關(guān)系圖象,如圖甲所示,由此得出結(jié)論。甲14一二三15一二三三、誤差分析1.因?qū)嶒?yàn)原理不完善造成誤差:本實(shí)驗(yàn)中用所掛重物的重力代替小車受到的拉力(實(shí)際上小車受的拉力要小于所掛重物的

8、重力),存在系統(tǒng)誤差。所掛重物的質(zhì)量越小于小車的質(zhì)量,誤差越小,反之誤差越大。2.夾口的密合性能差是造成誤差的原因。由于小車的質(zhì)量和速度較大,夾子不易夾住小車的后拖線;有些時候夾子夾住一根拖線,而另一根未被夾住,對應(yīng)小車仍向前運(yùn)動,這都是造成位移誤差的原因。3.小車運(yùn)動停止的位置不能與定滑輪相碰,如果小車碰到定滑輪才松手讓夾子夾住拖線,則與定滑輪相碰的小車位移偏小,產(chǎn)生誤差。16一二三4.平衡摩擦力不準(zhǔn)造成誤差:如出現(xiàn)圖甲中的直線,說明平衡摩擦力時,平衡過大了,即拉力F=0時已產(chǎn)生加速度,其加速度是由多余的重力分力產(chǎn)生的。若出現(xiàn)圖甲中的直線,說明平衡摩擦力不夠,即拉力為F0時才產(chǎn)生加速度。17

9、一二三出現(xiàn)圖乙中直線的原因分析如下:平衡摩擦力后,小車在木板上的受力應(yīng)有F+mgsin -mgcos =ma*,其中F為繩拉力,為木板與水平面的夾角。若平衡摩擦過大,小車在木板上的受力應(yīng)有F+mgsin -mgcos =ma,當(dāng) 時,式中F作為小量,可略去,將式整理得a=g(sin -cos ),說明圖乙線為平衡摩擦力過大造成的誤差。 5.質(zhì)量的測量誤差,紙帶上打點(diǎn)計(jì)時器打點(diǎn)間隔距離的測量誤18類型一類型二【例題1】 為了探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,現(xiàn)提供如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置。請回答下列問題:(1)為了消除小車與水平木板之間摩擦力的影響應(yīng)采取的做法是()A.將不帶滑輪的木板一端適當(dāng)墊高,使小車在

10、鉤碼拉動下恰好做勻速運(yùn)動B.將不帶滑輪的木板一端適當(dāng)墊高,使小車在鉤碼拉動下恰好做勻加速運(yùn)動C.將不帶滑輪的木板一端適當(dāng)墊高,在不掛鉤碼的情況下使小車恰好做勻速運(yùn)動D.將不帶滑輪的木板一端適當(dāng)墊高,在不掛鉤碼的情況下使小車恰好做勻加速運(yùn)動19類型一類型二(2)某學(xué)生在平衡摩擦力時,把水平木板的一端墊得過高,使得傾角偏大。他所得到的a-F關(guān)系是下列的哪條圖線?圖中a是小車的加速度,F是細(xì)線作用于小車的拉力。答:。 (3)消除小車與水平木板之間摩擦力的影響后,可用鉤碼總重力代替小車所受的拉力,此時鉤碼質(zhì)量m與小車總質(zhì)量m之間應(yīng)滿足的關(guān)系為。 20類型一類型二(4)下圖為某次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶,已知實(shí)驗(yàn)

11、所用電源的頻率為50 Hz。根據(jù)紙帶可求出小車的加速度大小為 m/s2。(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字) 21類型一類型二解析:(1)平衡摩擦力時,不應(yīng)將鉤碼掛上,把不帶滑輪的木板一端適當(dāng)墊高,當(dāng)小車在木板上恰好做勻速運(yùn)動時,表明已平衡摩擦力。(2)圖線為直線,表明小車總質(zhì)量m遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量m;a-F圖線與F軸交于原點(diǎn)右側(cè)表明摩擦力平衡不夠,a-F圖線與a交于原點(diǎn)上方,表明摩擦力平衡過大;a-F圖線過原點(diǎn),表明摩擦力平衡恰當(dāng)。當(dāng)不滿足小車總質(zhì)量m遠(yuǎn)大于鉤碼質(zhì)量m的條件時,圖線將發(fā)生彎曲。因此選項(xiàng)C正確。(3)實(shí)驗(yàn)中鉤碼質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車總質(zhì)量m。答案:(1)C(2)C(3)mm(4)3.2 22類型一類

12、型二題后反思題后反思本實(shí)驗(yàn)因原理不完善引起誤差。本實(shí)驗(yàn)用鉤碼的總重力mg代替小車的拉力,而實(shí)際小車所受的拉力要小于鉤碼的總重力,鉤碼的總質(zhì)量越接近小車的總質(zhì)量,誤差越大,反之鉤碼的總質(zhì)量越小于小車的總質(zhì)量,由此引起的誤差就越小。因此滿足鉤碼的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的總質(zhì)量m的目的就是減小因?qū)嶒?yàn)原理不完善而引起的誤差。此誤差可因?yàn)閙m而減小,但不可能消除此誤差。23類型一類型二【例題2】 為了探究加速度與力的關(guān)系,使用如圖所示的氣墊導(dǎo)軌裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中G1、G2為兩個光電門,它們與數(shù)字計(jì)時器相連,當(dāng)滑行器通過G1、G2光電門時,光束被遮擋的時間t1、t2都可以被測量并記錄。滑行器連同上面固定的一條形擋光片的總質(zhì)量為m,擋光片寬度為D,光電門間距離為x,牽引砝碼的質(zhì)量為m。回答下列問題:24類型一類型二(1)實(shí)驗(yàn)開始時應(yīng)先調(diào)節(jié)氣