滬科版高中物理必修一第5章《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》學(xué)案

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1、 最新滬科版高中物理必修一第 5 章《探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān) 系》學(xué)案 [ 學(xué)習(xí)目標(biāo)定位 ] 1. 學(xué)會用控制變量法研究物理規(guī)律 .2. 會測量加速度、力和質(zhì)量 , 能作出 1 物體運動的 a－ F、 a－ 圖像 .3. 通過實驗探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系． m 一、實驗器材 小車、砝碼、小桶、砂、細(xì)線、一端附有定滑輪的長木板、墊木、打點計時器、學(xué)生電 源、紙帶、刻度尺、天平． 二、實驗原理 實驗的基本思想——控制變量法 1．保持研究對象即小車的質(zhì)量不變 , 改變

2、小桶內(nèi)砂的質(zhì)量 , 即改變作用力 , 測出小車的對應(yīng)加速度 , 驗證加速度是否正比于作用力． 2．保持小桶中砂的質(zhì)量不變 , 即保持作用力不變 , 改變研究對象的質(zhì)量 , 測出對應(yīng)不同質(zhì)量的加速度 , 驗證加速度是否反比于質(zhì)量 . 一、實驗方案的設(shè)計 1．三個物理量的測量方法——近似法 本實驗的研究對象：放在長木板上的小車在拉力的作用下做勻加速直線運動． ( 裝置如圖 1 所示 ) ． 圖 1 (1) 小車質(zhì)量的測量 利用天平測出 , 在小車上增減砝

3、碼可改變小車的質(zhì)量． 1 / 11 (2) 拉力的測量 當(dāng)小桶和砂的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量時 , 可以認(rèn)為小桶和砂的重力近似等于對小車的拉力 , 即 F≈ mg. (3) 加速度的測量：逐差法． 2．實驗數(shù)據(jù)的處理方法——圖像法、“化曲為直”法 (1) 研究加速度 a 和力 F 的關(guān)系 圖 2 以加速度 a 為縱坐標(biāo) , 以力 F 為橫坐標(biāo) , 根據(jù)測量數(shù)據(jù)描點 , 然后作出圖像 , 如圖 2 所示 , 若圖 像是一條通過原點的直線 , 就能說明 a 與 F

4、成正比． (2) 研究加速度 a 與物體質(zhì)量 m的關(guān)系 如圖 3 甲所示 , 因為 a－ m圖像是曲線 , 檢查 a－ m圖像是不是雙曲線 , 就能判斷它們之間是不 是反比例關(guān)系 , 但檢查這條曲線是不是雙曲線 1 , 相當(dāng)困難．若 a 和 m成反比 , 則 a 與 必成正 m 比．我們采取“化曲為直”的方法 1 1 1 , 以 a 為縱坐標(biāo) , 以 為橫坐標(biāo) , 作出 a－ 圖像 , 若 a－ 圖 m m m 1 像是一條直線 , 如圖乙所示

5、, 說明 a 與 成正比 , 即 a 與 m成反比． m 圖 3 二、實驗步驟 1．用天平測出小車的質(zhì)量 M, 并把數(shù)值記錄下來． 2．按圖 4 所示的裝置把實驗器材安裝好． 圖 4 2 / 11 3．平衡摩擦力：在長木板不帶定滑輪的一端下面墊一木塊 , 多次移動木塊位置 , 直到輕推小 車, 使小車在斜面上運動時可保持勻速直線運動為止． 4．在小桶里放入適量的砂 , 在小車上加放適量的

6、砝碼 , 用天平測出小桶和砂的質(zhì)量 m, 并記 錄下來．接通電源 , 放開小車 , 待打點計時器在紙帶上打好點后取下紙帶． 5．保持小車的質(zhì)量不變 , 改變砂和小桶的質(zhì)量 , 按步驟 4 再做 5 次實驗． 6．在每條紙帶上選取一段比較理想的部分 , 算出每條紙帶對應(yīng)的加速度的值并記錄在表格 的相應(yīng)位置 . 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 － 2 小車加速度 a/( ms ) 砂和小桶的質(zhì)量 m/kg 拉力 F/N 7. 用縱坐標(biāo)表示加速度 , 橫坐標(biāo)表示作用力 , 根據(jù)實驗結(jié)果畫出小車運動的 a－ F 圖像 , 從而

7、得出 a－ F的關(guān)系． 8．保持砂和小桶的質(zhì)量不變 , 在小車上加放砝碼 , 重復(fù)上面的實驗 , 求出相應(yīng)的加速度 , 并設(shè) 計表格如下．根據(jù)實驗結(jié)果畫出小車運動的 1 a－ 圖像 , 從而得出 a－ M的關(guān)系 . M 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 － 2 ) 小車加速度 a/(m s 小車質(zhì)量 M/kg 1/kg － 1 M 9. 整理實驗器材 , 結(jié)束實驗． 三、注意事項 1．實驗中應(yīng)先接通電源后釋放小車．

8、 2．在平衡摩擦力時 , 不要懸掛小桶 , 但小車應(yīng)連著紙帶且接通電源．用手輕輕地給小車一個 初速度 , 如果在紙帶上打出的點的間隔均勻 , 表明小車受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡． 3．改變砂的質(zhì)量過程中 , 要始終保證砂桶 ( 包括砂 ) 的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量． 4．作圖時應(yīng)使所作的直線通過盡可能多的點 , 不在直線上的點也要盡可能的分布在直線的兩側(cè) , 但若遇到個別偏離較遠(yuǎn)的點可舍去． 例 某實驗小組利用圖 5 所示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系． 3 / 11

9、 圖 5 (1) 下列做法正確的是 ________( 填字母代號 ) ． A．調(diào)節(jié)滑輪的高度 , 使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長木板保持平行 B．在調(diào)節(jié)木板傾斜度平衡木塊受到的滑動摩擦力時 , 將裝有砝碼的砝碼桶通過定滑輪拴在 木塊上 C．實驗時 , 先放開木塊再接通打點計時器的電源 D．通過增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時 , 不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜度 (2) 圖 6 是甲、乙兩同學(xué)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出的圖像． 圖 6 形成圖線甲的原因是 _

10、_____________________________________________________ ． 形成圖線乙的原因是 ______________________________________________________ ． 解析 (1) 實驗中細(xì)繩要與長木板保持平行 ,A 項正確；平衡摩擦力時不能將裝有砝碼的砝 碼桶通過細(xì)繩繞過滑輪拴在木塊上 , 這樣無法平衡摩擦力 ,B 項錯誤；實驗時應(yīng)先接通打點 計時器的電源再放開木塊 ,C 項錯誤；平衡摩擦力后 , 改變木塊上的砝碼的質(zhì)量后不再需要 重新平衡摩擦力 ,D 項正確．

11、(2) 圖線甲中 F＝ 0 時 , 木塊就有了加速度 , 可見是長木板傾角過大．圖線乙中 , 有了拉力時 , 加速度仍為 0, 說明未平衡摩擦力或長木板傾角過小． 答案 (1)AD (2) 長木板傾角過大 未平衡摩擦力或長木板傾角過小 為了探究加速度與力的關(guān)系 , 使用如圖 7 所示的氣墊導(dǎo)軌裝置進行實驗．其中 G1、 G2 為兩個 光電門 , 它們與數(shù)字計時器相連 , 當(dāng)滑行器通過 G1、 G2 光電門時 , 光束被遮擋的時間 t 1、 t 2 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

12、為 M, 擋光片寬度 為 D, 光電門間距離為 s, 牽引砝碼的質(zhì)量為 m. 回答下列問題： 4 / 11 圖 7 (1) 實驗開始應(yīng)先調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌下面的螺釘 , 使氣墊導(dǎo)軌水平 , 在不增加其他儀器的情況下 , 如何判定調(diào)節(jié)是否到位？ (2) 若取 M＝ 0.4 kg, 改變 m的值 , 進行多次實驗 , 以下 m的取值不合適的一個是 ________． A． m1＝ 5 g B． m2＝15 g C． m3＝ 40 g D ． m4＝ 400 g (3) 在此實驗中 ,

13、 需要測得每一個牽引力對應(yīng)的加速度, 其中求得的加速度 a 的表達(dá)式為： ________.( 用 t 1、 t 2 、 、 s 表示 ) D D D 2－ 2 答案 (1) 見解析 (2)D t 2 t 1 (3) a＝ 2 s 解析 (1) 取下牽引砝碼 , 滑行器放在任意位置都不動 , 或取下牽引砝碼 , 輕推滑行器 , 數(shù)字計 時器

14、記錄每一個光電門的光束被遮擋的時間 t 都相等． (2) 本實驗只有在滿足 m? M 的條件下 , 才可以用牽引砝碼的重力近似等于對滑行器的拉力, 所以 D 是不合適的． (3) 由于擋光片通過光電門的時間很短, 所以可以認(rèn)為擋光片通過光電門這段時間內(nèi)的平均 速度等于瞬時速度 , 即有 v1 ＝ D , v2 ＝ D , 再根據(jù)運動學(xué)公式 v 22－ v12 ＝ 2as 得： a＝ t 1 t 2 D 2－ D 2 t 2 t 1 2s

15、. 1．在利用打點計時器探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的實驗中 , 以下做法正確的是 ( ) A．平衡摩擦力時 , 應(yīng)將重物用細(xì)繩通過定滑輪系在小車上 B．每次改變小車的質(zhì)量時 , 不需要重新平衡摩擦力 C．實驗時 , 先放開小車 , 后接通電源 D．“重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量”這一條件如不滿足 , 對探究過程也不會產(chǎn)生影響 答案 B 2．如圖 1 所示 , 在探究加速度和力、質(zhì)量關(guān)系的實驗中 , 若 1、 2 兩個相同的小車所受拉力 分別為 F1、 F2, 車中所放砝碼的質(zhì)量分別為 m1、 m2,

16、打開夾子后經(jīng)過相同的時間兩車的位移分 5 / 11 別為 x1、 x2, 則在實驗誤差允許的范圍內(nèi) , 有( ) 圖 1 A．當(dāng) m1＝ m2、 F1＝ 2F2 時 , x1＝ 2x2 B．當(dāng) m1＝ m2、 F1＝ 2F2 時 , x2＝ 2x1 C．當(dāng) F1＝ F2、 m1＝ 2m2 時 , x1＝ 2x2 D．當(dāng) F1＝ F2、 m1＝ 2m2 時 , x2＝ 2x1 答案 A 3．如圖 2 所示是在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗中 , 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)描繪出

17、的三條 a— F 圖線 , 下列說法中正確的是 ( ) 圖 2 A．三條傾斜直線所對應(yīng)繩的拉力相同 B．三條傾斜直線所對應(yīng)的小車和砝碼的總質(zhì)量不同 C．直線 1 對應(yīng)的小車和砝碼的總質(zhì)量最大 D．直線 3 對應(yīng)的小車和砝碼的總質(zhì)量最大 答案 BD 1 解析 由 F＝ ma得 a＝ F, 斜率越大 , 質(zhì)量越小 , 故 B、 D 選項正確． m 4．利用如圖 3 甲所示的裝置探究“質(zhì)量一定 , 加速度與力的關(guān)系”實驗時 , 甲同學(xué)根據(jù)實驗 數(shù)據(jù)畫出的小車的加速度 a 和小車所受拉

18、力 F 的圖像如圖乙中的直線Ⅰ所示 , 乙同學(xué)畫出的 a－ F 圖像如圖乙中的直線Ⅱ所示．直線Ⅰ、Ⅱ在兩個坐標(biāo)軸上的截距都比較大 , 明顯超出 了誤差范圍 , 下面關(guān)于形成這種狀況的解釋正確的是 ( ) 6 / 11 圖 3 A．實驗前甲同學(xué)沒有平衡摩擦力 B．甲同學(xué)在平衡摩擦力時 , 把長木板不帶滑輪的一端墊得過高了 C．實驗前乙同學(xué)沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠 D．乙同學(xué)在平衡摩

19、擦力時 , 把長木板不帶滑輪的一端墊得過高了 答案 BC 解析 圖線Ⅰ表明不對小車施加拉力小車就有加速度 , 說明平衡摩擦力過度 , 即把長木板不 帶滑輪的一端墊得過高了．圖線Ⅱ表明對小車施加的拉力達(dá)到一定程度后 , 小車才加速運動 , 說明沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠． 5．用如圖 4 所示的裝置探究在作用力 F 一定時 , 小車的加速度 a 與小車質(zhì)量 M的關(guān)系 , 某位 同學(xué)設(shè)計的實驗步驟如下： 圖 4 A．用天平稱出小車和小桶及其內(nèi)部所裝砂子的質(zhì)量 B．按圖裝好實驗器材 C．把輕繩

20、系在小車上并繞過定滑輪懸掛砂桶 D．將電磁打點計時器接在 6 V 電壓的蓄電池上 , 接通電源 , 放開小車 , 打點計時器在紙帶上 打下一系列點 , 并在紙帶上標(biāo)明小車質(zhì)量 E．保持小桶及其內(nèi)部所裝砂子的質(zhì)量不變 , 增加小車上的砝碼個數(shù) , 并記錄每次增加后的 M 值, 重復(fù)上述實驗 F．分析每條紙帶 , 測量并計算出加速度的值 G．作 a－ M關(guān)系圖像 , 并由圖像確定 a－M關(guān)系 (1) 該同學(xué)漏掉的重要實驗步驟是 ________, 該步驟應(yīng)排在實驗步驟 ________之后． (2) 在上述步驟中 , 有錯誤的是 __

21、______, 應(yīng)把 ________改為 __________． (3) 在上述步驟中 , 處理不恰當(dāng)?shù)氖? ______, 應(yīng)把 __________改為 ____________． 7 / 11 答案 (1) 平衡摩擦力 B (2)D 6 V 電壓的蓄電池 4～ 6 V 交流電壓的學(xué)生電源 (3)G 作 a－ M關(guān)系圖像 作 a－ 1關(guān)系圖像 M 解析 實驗中把小桶及其內(nèi)所裝砂子的重力看做與小車所受的拉力大小相等 , 實驗中沒有考 慮摩擦力的作用 , 故必須平衡摩擦力．電磁打點計時器接在 6 V 電壓的蓄

22、電池上將無法工作 , 必須接在 4～6 V 交流電壓的學(xué)生電源上．作 a－ M 關(guān)系圖像 , 得到的是雙曲線 , 很難作出正 1 確的判斷 , 必須“化曲為直” , 改作 a－ 關(guān)系圖像． M 6．某同學(xué)設(shè)計了一個“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗．如圖 5 所示為實驗裝置簡 圖 , A 為小車 , B 為電火花計時器 , C 為裝有砝碼的小桶 , D 為一端帶有定滑輪的長方形木板．電源頻率為 50 Hz. 圖 5 (1) 平衡摩擦力后 , 可認(rèn)為細(xì)繩對小車的拉力F 等于砝碼和小桶的總重力 , 需滿

23、足的條件是 ________________ ． (2) 圖 6 為某次實驗得到的紙帶 ( 紙帶上的點為實際打下的點 ), 根據(jù)圖中的紙帶和相關(guān)數(shù)據(jù) 可求出小車的加速度大小 2 a＝__________m/s .( 結(jié)果取兩位有效數(shù)字 ) 圖 6 (3) 在“探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系”時 , 保持砝碼和小桶的總質(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的數(shù)據(jù)如下表： 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 小車加速 a/(m s 1.98

24、 1.72 1.48 1.25 1.00 0.75 0.48 0.50 0.30 －2) 小車質(zhì)量 M/kg 0.25 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 0.75 1.00 1.67 1/kg － 1 M 根據(jù)上表數(shù)據(jù) , 為直觀反映 F 不變時 a 與 M的關(guān)系 , 請在圖 7 所示坐標(biāo)紙中選擇恰當(dāng)?shù)奈锢? 量建立坐標(biāo)系 , 并作出圖線． ( 如有需要 , 可利用上表中空格 )

25、 8 / 11 圖 7 答案 (1) 砝碼和小桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量 (2)3.2 1 (3) 求出小車質(zhì)量的倒數(shù) , 作出 a－ 圖線．如圖所示 M 次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 小車加速 a/(m s 1.98 1.72 1.4 1.

26、25 1.00 0.75 0.48 0.50 0.30 － 2) 8 小車質(zhì)量 M/kg 0.25 0.29 0.3 0.40 0.50 0.71 0.75 1.00 1.67 3 1/kg － 1 4.00 3.45 3.0 2.50 2.00 1.41 1.33 1.00 0.60 M 3

27、 解析 (1) 平衡摩擦力后 , 設(shè)砝碼和小桶的總質(zhì)量為 m, 小車的質(zhì)量為 M, 對小車、小桶組成的 系統(tǒng) , 由牛頓第二定律得 ＝ ( ＋ ) , 解得 a ＝ mg , 可見 , 當(dāng) ? 時 , a ＝ mg . 以小車為研究 mg m M a m＋ M M m M 對象 , 當(dāng)滿足條件“砝碼和小桶的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量”時 , 可認(rèn)為細(xì)繩對小車的拉力F 等于砝碼和小桶的總

28、重力； s ＋ s CD － s ＋ s BC (2) 從題圖中所給數(shù)據(jù)可以求得 T＝ 0.04 s, a＝ DE AB ＝ 3.2 m/s 2 ； (3) 2 4T 1 1 利用上表中空格 , 先求出小車質(zhì)量的倒數(shù) , 然后建立 a－ 坐

29、標(biāo) , 作出 a－ 圖線． M M 7．“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗裝置如圖 8 甲所示． 9 / 11 圖 8 (1) 在平衡小車與桌面之間摩擦力的過程中, 打出了一條紙帶如圖乙所示．計時器打點的時 間間隔為 0.02 s, 從比較清晰的點起 , 每 5 個點取一個計數(shù)點 , 量出并標(biāo)出相鄰計數(shù)點之間 的距離．該小車的

30、加速度 a＝________ m/s 2. (2) 平衡摩擦力后 , 將 5 個相同的砝碼都放在小車上．掛上砝碼盤 , 然后每次從小車上取一個 砝碼添加到砝碼盤中 , 測量小車的加速度．小車的加速度 a 與砝碼盤中砝碼總重力 F 的實驗 數(shù)據(jù)如下表： 砝碼盤中砝碼總重力/N 0.196 0.392 0.588 0.784 0.980 F － 2 0.69 1.18 1.66 2.18 2.70 加速度 a/(m s ) 請

31、根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在圖 9 所示坐標(biāo)系中作出 a－ F 的關(guān)系圖像． 圖 9 (3) 根據(jù)提供的實驗數(shù)據(jù)作出的 a－ F 圖線不通過原點 , 請說明主要原因． 答案 (1)0.16 (2) 見解析圖 (3) 計算 F 時忘記加入砝碼盤的重力 解析 (1) 由題意可知計數(shù)間隔 T＝ 5T0＝ 0.1 s. 由題圖乙可知 － 3 2 2 s＝0.16 cm ＝1.6 10 m, 由 s＝aT 可得 a＝ 0

32、.16 m/s . (2) a－ F 圖線如圖所示． (3) 平衡小車與桌面之間的摩擦力后 , a－ F 圖像仍不通過原點 , 可能是在計算 F 時忘記加入 10 / 11 砝碼盤的重力 , 使作出的圖像向左平移造成的． 11 / 11