高中物理 第5章 力與運動 第2節(jié) 牛頓第二定律（第1課時）實驗探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系課件 魯科版必修1.ppt

第2節(jié) 牛頓第二定律,第1課時 實驗:探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,填一填,一、實驗原理(見課本第106頁) 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,探究加速度與外力的關(guān)系。探究的方法可以采用根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制圖象的方法,也可以采用比較的方法,看不同的外力與由此產(chǎn)生的加速度的比值有何關(guān)系。 2.保持物體所受的合外力相同,測量不同質(zhì)量的物體在該力作用下的加速度,探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系。探究的方法采用根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制圖象的方法。 二、實驗器材(見課本第107頁) 附有定滑輪的長木板、打點計時器、低壓交流電源、小車、不同質(zhì)量的重物、帶鉤細線、砝碼、紙帶、刻度尺、天平、彈簧測力計、薄木板。,練一練,填一填,三、實驗步驟(見課本第107108頁) 1.用天平測出小車的質(zhì)量m0,把數(shù)據(jù)記錄下來。 2.按如圖所示安裝器材。 (1)平衡摩擦力:在長木板不帶定滑輪的一端下面墊上一塊薄木塊,反復(fù)移動薄木塊的位置,直至不掛重物的小車在斜面上運動時可保持勻速直線運動狀態(tài)。 (2)測出重物的重力,并記錄下來。把細線系在小車上并繞過滑輪懸掛重物。,練一練,填一填,3.接通電源,放開小車,打點計時器在紙帶上打下一系列的點,取下紙帶,在紙帶上寫上編號。 4.保持小車的質(zhì)量不變,改變所掛重物的質(zhì)量,按步驟3再做幾次實驗,將實驗時記錄的數(shù)據(jù)填入表格(1)中。 5.算出每條紙帶對應(yīng)的加速度的值并填入表格(1)中。 表格(1) 加速度與受力的關(guān)系,練一練,填一填,6.保持合外力F不變,即保持所掛重物的質(zhì)量不變,在小車上增減砝碼,重復(fù)上述步驟3,將實驗時記錄的數(shù)據(jù)填入表格(2)中。 7.算出每條紙帶對應(yīng)的加速度的值并填入表格(2)中。 表格(2) 加速度與質(zhì)量的關(guān)系,練一練,填一填,練一練,用打點計時器“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”時,需要平衡摩擦力。平衡摩擦力時,應(yīng)該讓小車( ) A.掛上小盤,拖上紙帶,開動打點計時器 B.不掛小盤,拖上紙帶,開動打點計時器 C.掛上小盤,不拖紙帶 D.不掛小盤,不拖紙帶 解析:平衡摩擦力時,應(yīng)把紙帶所受的摩擦阻力一起平衡掉,所以應(yīng)讓小車拖上紙帶,且讓打點計時器處于工作狀態(tài),選項B正確。 答案:B,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,對實驗原理與實驗步驟的理解 用如圖所示裝置探究“加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗中: 某同學(xué)在接通電源進行實驗之前,將實驗器材組裝,如圖所示。請你指出該裝置中錯誤或不妥之處。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,1.在本實驗中,必須平衡摩擦力。平衡摩擦力時不要掛重物。平衡摩擦力后,在后面的實驗中不管是改變砝碼盤和砝碼的質(zhì)量還是改變小車的質(zhì)量,都不需要重新平衡摩擦力。 2.實驗中,必須滿足小車及小車上砝碼的總質(zhì)量遠遠大于所掛砝碼盤和盤中砝碼的質(zhì)量。只有這樣,砝碼盤和砝碼的總重力才可以視為與小車所受細線的拉力相等。 3.在每次實驗時,從盡量靠近打點計時器的位置由靜止釋放小車,并且先通電后釋放小車,在小車到達定滑輪位置時按住小車。 4.利用紙帶計算加速度時,應(yīng)該求每條紙帶上加速度的平均值。 5.作圖象時,要使盡可能多的點落在所作的直線上,不在直線上的點應(yīng)盡可能對稱地分布在所作直線的兩側(cè)。偏離直線較遠的點是錯誤的數(shù)據(jù),可舍去不予考慮。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,【例題1】 導(dǎo)學(xué)號93960082用如圖所示的裝置研究在作用力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: A.用天平稱出小車和小桶及內(nèi)部所裝砂子的質(zhì)量; B.按圖裝好實驗器材; C.把輕繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛砂桶;,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,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)明小車的質(zhì)量; E.保持小桶及其中砂子的質(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)系圖象,并由圖象確定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 步驟之后。 (2)在上述步驟中,有錯誤的是 ,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 。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,解析:本題主要考查對實驗原理和實驗步驟的理解和分析,實驗中把小桶及其中砂子的重力看做與小車所受拉力大小相等,沒有考慮摩擦力,故必須平衡摩擦力。電磁打點計時器接在6 V電壓的蓄電池上將無法工作,必須接在6 V以下交流學(xué)生電源上。作a-M關(guān)系圖象,得到的是雙曲線,很難作出正確的判斷,必須“化曲為直”,改作 關(guān)系圖象。 答案:(1)平衡摩擦力 B (2)步驟D 6 V電壓的蓄電池 6 V以下交流學(xué)生電源 (3)步驟G a-M,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,變式訓(xùn)練1 在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗中,備有下列器材:A.電火花計時器;B.天平;C.停表;D.交流電源;E.電池;F.紙帶;G.細繩、砝碼、滑塊(可放在氣墊導(dǎo)軌上);H.氣墊導(dǎo)軌(一端帶定滑輪);I.毫米刻度尺;J.小型氣泵。 (1)實驗中應(yīng)選用的器材有 (填序號);實驗的研究對象是 。 (2)本實驗分兩大步驟進行: , 。 解析:本實驗探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系,研究對象為放在氣墊導(dǎo)軌上的滑塊,需要測量滑塊的加速度,因此器材需選A、B、D、F、G、H、I、J,不需測時間故不需C停表,計時器用交流電源而電池為直流電源故不需E,需測量滑塊質(zhì)量故需用B天平,實驗分兩大步驟進行:控制滑塊質(zhì)量不變,探究加速度與力的關(guān)系;控制力不變,探究加速度與滑塊質(zhì)量的關(guān)系。,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,答案:(1)A、B、D、F、G、H、I、J 放在氣墊導(dǎo)軌上的滑塊 (2)(m一定)探究a與F的關(guān)系 (F一定)探究a與m的關(guān)系,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,某同學(xué)做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗時畫出了如圖所示的三條圖線,這三條圖線表示實驗中 的不同。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,1.數(shù)據(jù)處理 (1)根據(jù)表格(1)記錄的數(shù)據(jù),作出a-F圖象。通過連線可知,在誤差允許的范圍內(nèi),所描繪的各點大致分布在同一條過坐標(biāo)原點的直線上。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,2.誤差分析 (1)所掛重物的總重力沒有遠小于小車的重力引起的誤差。實驗中用所掛重物的重力代替小車的拉力,而實際小車所受拉力小于所掛重物的重力。 減小誤差的方法:使所掛重物的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量。 (2)平衡摩擦力不準(zhǔn)確、質(zhì)量測量不準(zhǔn)確、計數(shù)點間距離測量不準(zhǔn)確、紙帶沒有嚴格與木板平行等引起誤差。實驗中可采用逐差法或作v-t圖象求加速度,用圖象法分析a與F、a與m的關(guān)系等,可有效減小誤差。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,【例題2】 導(dǎo)學(xué)號93960083如圖甲是某小組探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實驗裝置。小車放在長木板上,前端系上細繩,繩的另一端跨過定滑輪掛一放有砝碼的小盤,盤與砝碼的總質(zhì)量為m0,車后端連接的紙帶穿過打點計時器限位孔。為平衡摩擦力,將長木板的右端墊高。該組同學(xué)通過在小車上加減砝碼改變小車的質(zhì)量m,增減砝碼改變小車所受的合力F,計算出小車運動的加速度a,實驗數(shù)據(jù)如下表所示:,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,(1)只有當(dāng)m與m0的大小關(guān)系滿足 時,才可以認為繩對小車的拉力大小等于盤及盤中砝碼的重力。 (2)通過表中 至 次實驗數(shù)據(jù)分析,可以得到當(dāng)合力一定時,加速度與質(zhì)量成反比的結(jié)論。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,(3)根據(jù)表中1至5次實驗數(shù)據(jù),在圖乙中畫出a與F的關(guān)系圖線。 (4)該圖線不過原點的原因是 。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,解析:(1)小車所受合力F等于繩子對小車的拉力,由于放有砝碼的小盤加速下滑,它對繩子的拉力小于本身的重力,只有當(dāng)mm0時,才能認為放有砝碼的小盤對繩子的拉力等于其重力。 (2)題目表格中F為小車所受的合力,觀察表格數(shù)據(jù)可知,分析第59次實驗數(shù)據(jù)可得到合力一定時,加速度與質(zhì)量成反比的結(jié)論。 (3)根據(jù)表格數(shù)據(jù)進行描點,然后用平滑的線作圖,得到a與F的關(guān)系圖線。 (4)圖線與縱軸有一交點,說明繩對小車的拉力為零時,小車仍有加速度,小車所受合外力不為零,原因是平衡摩擦力時,木板傾角過大,重力沿木板向下的分力大于摩擦力。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,答案:(1)mm0 (2)5 9 (3)如圖所示 (4)平衡摩擦力時,木板傾角過大(或平衡摩擦力過度),探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,變式訓(xùn)練2 某同學(xué)在做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗中,測得小車的加速度a和拉力F的數(shù)據(jù)如下表所示。 (1)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)在如圖所示的坐標(biāo)系中作出a-F圖象。 (2)圖象的斜率的物理意義是 。 (3)圖線(或延長線)與F軸的截距的物理意義是 。 (4)小車和砝碼的總質(zhì)量為 kg。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,解析:(1)選取適當(dāng)?shù)臉?biāo)度,作出a-F圖象如圖所示。 (2)由F=Ma得 ,可見圖象的斜率為小車和砝碼的總質(zhì)量的倒數(shù)。 (3)圖象與F軸的截距表示加速度恰好為零時的拉力,也是小車受到的阻力,大小為0.1 N。 (4)由圖可知圖線斜率k=1 kg-1,由 可得M=1 kg。,探究一,探究二,問題導(dǎo)引,名師精講,典例剖析,答案:(1)見解析圖 (2)小車和砝碼的總質(zhì)量的倒數(shù) (3)小車受到的阻力為0.1 N (4)1,1 2 3 4 5 6,1.關(guān)于本節(jié)的實驗操作,下列說法中符合實際的是( ) A.通過同時改變小車的質(zhì)量m及受到的拉力F的研究,能歸納出加速度、力、質(zhì)量三者之間的關(guān)系 B.通過保持小車質(zhì)量不變,只改變小車的拉力的研究,就可以歸納出加速度、力、質(zhì)量三者之間的關(guān)系 C.通過保持小車受力不變,只改變小車質(zhì)量的研究,就可以得出加速度、力、質(zhì)量三者之間的關(guān)系 D.首先不改變小車質(zhì)量,研究加速度與力的關(guān)系;然后不改變小車受力,研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系,最后歸納出加速度、力、質(zhì)量三者之間的關(guān)系 解析:探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系時,先使質(zhì)量不變,研究加速度與力的關(guān)系;再使受力不變,研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系;最后總結(jié)出加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。所以,只有選項D正確。 答案:D,1 2 3 4 5 6,2.在保持小車質(zhì)量M不變,探究a與F的關(guān)系時,小車質(zhì)量M和小盤及砝碼質(zhì)量m分別選取下列四組值。若其他操作都正確,那么在選用哪一組值測量時,所畫出的a-F圖線較準(zhǔn)確( ) A.M=500 g,m分別為50 g、70 g、100 g、125 g B.M=500 g,m分別為20 g、30 g、40 g、50 g C.M=200 g,m分別為50 g、70 g、100 g、125 g D.M=100 g,m分別為30 g、40 g、50 g、60 g 解析:在保持小車質(zhì)量M不變,探究a與F的關(guān)系時,必須滿足Mm,故選B。 答案:B,1 2 3 4 5 6,3.如果a- 圖象是通過原點的一條直線,則說明( ) A.物體的加速度a與質(zhì)量m成正比 B.物體的加速度a與質(zhì)量m成反比 C.物體的質(zhì)量m與加速度a成正比 D.物體的質(zhì)量m與加速度a成反比 解析:a- 圖象是過原點的一條直線,則a與 成正比,加速度a與質(zhì)量m成反比,選項A錯誤,選項B正確。質(zhì)量是由物體所含物質(zhì)的多少決定的,與物體的加速度無關(guān),故選項C、D錯誤。 答案:B,4.在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗中,采用如圖所示的裝置。 (1)本實驗應(yīng)用的實驗方法是( ) A.控制變量法 B.假設(shè)法 C.理想實驗法 (2)(多選)在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗中,操作正確的是( ) A.平衡摩擦力時,應(yīng)將重物用細線通過定滑輪系在小車上 B.平衡摩擦力時,應(yīng)將紙帶連接在小車上并穿過打點計時器 C.每次改變小車的質(zhì)量時,不需要重新平衡摩擦力 D.實驗時,應(yīng)先放開小車,后接通電源,1 2 3 4 5 6,(3)如圖是某同學(xué)在“探究加速度與力的關(guān)系”實驗中打出的一條紙帶,他從比較清晰的點開始,每五個點取一個計數(shù)點。已知打點計時器打點的時間間隔為0.02 s,則相鄰兩計數(shù)點間的時間間隔為 s。由此可求得小車的加速度為a= m/s2,打下計數(shù)點C時小車運動的速度為vC= m/s。 解析:(1)在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實驗中,有三個變化的物理量,分別是加速度a、小車質(zhì)量M、小車受到的合外力F,研究三個變化物理量之間的關(guān)系時應(yīng)采用“控制變量法”。,1 2 3 4 5 6,1 2 3 4 5 6,(2)在實驗中,為了減小誤差需要平衡摩擦力,平衡摩擦力時不應(yīng)懸掛細線和重物,但應(yīng)該將紙帶固定在小車上,并穿過打點計時器限位孔,選項A錯誤,而選項B正確;小車所受到的摩擦力與懸掛的重物無關(guān),每次改變所掛重物的質(zhì)量時,不需要重新平衡摩擦力,選項C正確;為了記錄小車從靜止開始的運動,也為了多打幾個點減小實驗誤差,需要先接通電源,然后釋放小車,選項D錯誤。 (3)打點計時器的打點間隔是0.02 s,每兩個計數(shù)點之間有5個打點時間間隔,故每兩個計數(shù)點之間的時間間隔是0.1 s;根據(jù)數(shù)據(jù)求得小車的加速度為 答案:(1)A (2)BC (3)0.1 1.2 0.46,5.某實驗小組設(shè)計了如圖甲所示的實驗裝置,探究物體的加速度與受力的關(guān)系,通過改變重物的質(zhì)量,利用傳感器可得到滑塊運動的加速度a和所受拉力F,而后作出a-F關(guān)系圖象。他們在軌道水平和傾斜的兩種情況下分別做了實驗,得到了兩條a-F圖線,如圖乙所示。由圖象可知圖線不過坐標(biāo)原點的原因是 ;滑塊和加速度傳感器的總質(zhì)量m= kg。,甲,乙,1 2 3 4 5 6,1 2 3 4 5 6,解析:圖線不過坐標(biāo)原點的原因是軌道傾角太大,滑塊的重力沿斜軌道方向的分力較大,平衡了滑塊與軌道間的摩擦力后還產(chǎn)生了加速度,即不加拉力F時,滑塊已經(jīng)有了加速度,由題圖乙可得圖線斜率k=2 kg-1,由k= 可得M=0.5 kg。 答案:軌道傾角太大 0.5,1 2 3 4 5 6,6.某同學(xué)設(shè)計了如圖所示的裝置來探究加速度與力的關(guān)系。彈簧測力計固定在一合適的木板上,桌面的右邊緣固定一支表面光滑的鉛筆以代替定滑輪,細繩的兩端分別與彈簧測力計的掛鉤和礦泉水瓶連接。在桌面上畫出兩條平行線MN、PQ,并測出間距d。開始時將木板置于MN處,現(xiàn)緩慢向瓶中加水,直到木板剛剛開始運動為止,記下彈簧測力計的示數(shù)F0,以此表示滑動摩擦力的大小。再將木板放回原處并按住,繼續(xù)向瓶中加水后,記下彈簧測力計的示數(shù)F1,然后釋放木板,并用秒表記下木板運動到PQ處的時間t。 (1)木板的加速度可以用d、t表示為a= ;為了減小測量加速度的偶然誤差可以采用的方法是(一種即可) 。,1 2 3 4 5 6,(2)(多選)用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼的方法相比,它的優(yōu)點是 。 a.可以改變滑動摩擦力的大小 b.可以更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù) c.可以比較精確地測出摩擦力的大小 解析:(1)木板做初速度為零的勻加速直線運動,其位移 d= at2,加速度 。為了減小偶然誤差,可多次測量時間t,取t的平均值。 (2)用加水的方法改變拉力的大小與掛鉤碼相比,水的質(zhì)量可以連續(xù)調(diào)節(jié),因而F1的大小也可以連續(xù)調(diào)節(jié),從而比較精確地測出摩擦力的大小和更方便地獲取多組實驗數(shù)據(jù),故正確答案為b、c。 答案:(1) 多次測量時間t,取t的平均值 (2)bc,