滬科版高中物理必修一第5章《探究加速度與力、質量的關系》學案

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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、質量的關 系》學案 [ 學習目標定位 ] 1. 學會用控制變量法研究物理規(guī)律 .2. 會測量加速度、力和質量 , 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、質量的定量關系． m 一、實驗器材 小車、砝碼、小桶、砂、細線、一端附有定滑輪的長木板、墊木、打點計時器、學生電 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量不變 , 改變

2、小桶內砂的質量 , 即改變作用力 , 測出小車的對應加速度 , 驗證加速度是否正比于作用力． 2．保持小桶中砂的質量不變 , 即保持作用力不變 , 改變研究對象的質量 , 測出對應不同質量的加速度 , 驗證加速度是否反比于質量 . 一、實驗方案的設計 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、碼可改變小車的質量． 1 / 11 (2) 拉力的測量 當小桶和砂的質量遠小于小車的質量時 , 可以認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．實驗數據的處理方法——圖像法、“化曲為直”法 (1) 研究加速度 a 和力 F 的關系 圖 2 以加速度 a 為縱坐標 , 以力 F 為橫坐標 , 根據測量數據描點 , 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 與物體質量 m的關系 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 是反比例關系 , 但檢查這條曲線是不是雙曲線 1 , 相當困難．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 , 以 為橫坐標 , 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量 M, 并把數值記錄下來． 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．保持小車的質量不變 , 改變砂和小桶的質量 , 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 , 算出每條紙帶對應的加速度的值并記錄在表格 的相應位置 . 次數 1 2 3 4 5 6 － 2 小車加速度 a/( ms ) 砂和小桶的質量 m/kg 拉力 F/N 7. 用縱坐標表示加速度 , 橫坐標表示作用力 , 根據實驗結果畫出小車運動的 a－ F 圖像 , 從而

7、得出 a－ F的關系． 8．保持砂和小桶的質量不變 , 在小車上加放砝碼 , 重復上面的實驗 , 求出相應的加速度 , 并設 計表格如下．根據實驗結果畫出小車運動的 1 a－ 圖像 , 從而得出 a－ M的關系 . M 次數 1 2 3 4 5 6 － 2 ) 小車加速度 a/(m s 小車質量 M/kg 1/kg － 1 M 9. 整理實驗器材 , 結束實驗． 三、注意事項 1．實驗中應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．改變砂的質量過程中 , 要始終保證砂桶 ( 包括砂 ) 的質量遠小于小車的質量． 4．作圖時應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 , 但若遇到個別偏離較遠的點可舍去． 例 某實驗小組利用圖 5 所示的裝置探究加速度與力、質量的關系． 3 / 11

9、 圖 5 (1) 下列做法正確的是 ________( 填字母代號 ) ． A．調節(jié)滑輪的高度 , 使牽引木塊的細繩與長木板保持平行 B．在調節(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量時 , 不需要重新調節(jié)木板傾斜度 (2) 圖 6 是甲、乙兩同學根據實驗數據畫出的圖像． 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系 , 使用如圖 7 所示的氣墊導軌裝置進行實驗．其中 G1、 G2 為兩個 光電門 , 它們與數字計時器相連 , 當滑行器通過 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, 牽引砝碼的質量為 m. 回答下列問題： 4 / 11 圖 7 (1) 實驗開始應先調節(jié)氣墊導軌下面的螺釘 , 使氣墊導軌水平 , 在不增加其他儀器的情況下 , 如何判定調節(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的加速度, 其中求得的加速度 a 的表達式為： ________.( 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, 所以可以認為擋光片通過光電門這段時間內的平均 速度等于瞬時速度 , 即有 v1 ＝ D , v2 ＝ D , 再根據運動學公式 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、質量的關系的實驗中 , 以下做法正確的是 ( ) A．平衡摩擦力時 , 應將重物用細繩通過定滑輪系在小車上 B．每次改變小車的質量時 , 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．“重物的質量遠小于小車的質量”這一條件如不滿足 , 對探究過程也不會產生影響 答案 B 2．如圖 1 所示 , 在探究加速度和力、質量關系的實驗中 , 若 1、 2 兩個相同的小車所受拉力 分別為 F1、 F2, 車中所放砝碼的質量分別為 m1、 m2,

16、打開夾子后經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 , 有( ) 圖 1 A．當 m1＝ m2、 F1＝ 2F2 時 , x1＝ 2x2 B．當 m1＝ m2、 F1＝ 2F2 時 , x2＝ 2x1 C．當 F1＝ F2、 m1＝ 2m2 時 , x1＝ 2x2 D．當 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、質量的關系”實驗中 , 根據實驗數據描繪出

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繩的拉力相同 B．三條傾斜直線所對應的小車和砝碼的總質量不同 C．直線 1 對應的小車和砝碼的總質量最大 D．直線 3 對應的小車和砝碼的總質量最大 答案 BD 1 解析 由 F＝ ma得 a＝ F, 斜率越大 , 質量越小 , 故 B、 D 選項正確． m 4．利用如圖 3 甲所示的裝置探究“質量一定 , 加速度與力的關系”實驗時 , 甲同學根據實驗 數據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在兩個坐標軸上的截距都比較大 , 明顯超出 了誤差范圍 , 下面關于形成這種狀況的解釋正確的是 ( ) 6 / 11 圖 3 A．實驗前甲同學沒有平衡摩擦力 B．甲同學在平衡摩擦力時 , 把長木板不帶滑輪的一端墊得過高了 C．實驗前乙同學沒有平衡摩擦力或平衡摩擦力不夠 D．乙同學在平衡摩

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 與小車質量 M的關系 , 某位 同學設計的實驗步驟如下： 圖 4 A．用天平稱出小車和小桶及其內部所裝砂子的質量 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 , 并在紙帶上標明小車質量 E．保持小桶及其內部所裝砂子的質量不變 , 增加小車上的砝碼個數 , 并記錄每次增加后的 M 值, 重復上述實驗 F．分析每條紙帶 , 測量并計算出加速度的值 G．作 a－ M關系圖像 , 并由圖像確定 a－M關系 (1) 該同學漏掉的重要實驗步驟是 ________, 該步驟應排在實驗步驟 ________之后． (2) 在上述步驟中 , 有錯誤的是 __

21、______, 應把 ________改為 __________． (3) 在上述步驟中 , 處理不恰當的是 ______, 應把 __________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 交流電壓的學生電源 (3)G 作 a－ M關系圖像 作 a－ 1關系圖像 M 解析 實驗中把小桶及其內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 交流電壓的學生電源上．作 a－ M 關系圖像 , 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－ 關系圖像． M 6．某同學設計了一個“探究加速度與力、質量的關系”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 , 可認為細繩對小車的拉力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 ), 根據圖中的紙帶和相關數據 可求出小車的加速度大小 2 a＝__________m/s .( 結果取兩位有效數字 ) 圖 6 (3) 在“探究加速度與質量的關系”時 , 保持砝碼和小桶的總質量不變 , 改變小車質量 M, 分 別得到小車加速度 a 與質量 M的數據如下表： 次數 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 根據上表數據 , 為直觀反映 F 不變時 a 與 M的關系 , 請在圖 7 所示坐標紙中選擇恰當的物理 量建立坐標系 , 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) 砝碼和小桶的總質量遠小于小車的質量 (2)3.2 1 (3) 求出小車質量的倒數 , 作出 a－ 圖線．如圖所示 M 次數 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 , 設砝碼和小桶的總質量為 m, 小車的質量為 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 ? 時 , a ＝ mg . 以小車為研究 mg m M a m＋ M M m M 對象 , 當滿足條件“砝碼和小桶的總質量遠小于小車質量”時 , 可認為細繩對小車的拉力F 等于砝碼和小桶的總

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

29、標 , 作出 a－ 圖線． M M 7．“探究加速度與力、質量的關系”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 個點取一個計數點 , 量出并標出相鄰計數點之間 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 數據如下表： 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、根據實驗數據在圖 9 所示坐標系中作出 a－ F 的關系圖像． 圖 9 (3) 根據提供的實驗數據作出的 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