2021学年第四章 运动和力的关系2 实验：探究加速度与力、质量的关系授课ppt课件

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1.知道探究加速度、质量、力三者关系的实验方案,体会用“控制变量法”研究物理规律。2.会使用基本的力学实验器材获取加速度、力、质量等数据,并作出加速度与力、加速度与质量的关系图像,能根据图像得出加速度与力、质量的关系。3.领会近似思想以及化曲为直的转化思维,知道平衡摩擦力的方法,会对实验误差做初步分析。
一、实验原理应用如图所示的实验装置,小车的加速度由纸带测出,小车的质量由天平测得,外力即为槽码的质量。在探究加速度与力及小车质量的定量关系时,用到的基本方法是控制变量法,即:(1)保持小车质量不变,通过改变槽码的个数改变小车所受的拉力。(2)保持小车所受的拉力不变,通过在小车上增加重物改变小车的质量。
二、实验器材打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端有定滑轮的长木板、槽码、夹子、细绳、低压交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺、薄木板。三、实验步骤1.用天平测出小车和槽码的质量m和m′,把数据记录在表格中。2.按实验装置图把实验器材安装好,使长木板有滑轮的一端伸出桌面。3.在长木板不带定滑轮的一端下面垫上薄木板,通过前后移动,来补偿阻力。4.把细绳系在小车上并跨过定滑轮,此时要调节定滑轮的高度使细绳与木板平行。5.将小车放在靠近打点计时器处,挂上槽码,接通电源,放开小车得到一条打好点的纸带(注意不要让小车撞到定滑轮,打好点的纸带要标明条件m=?,m′=?)。
6.保持小车的质量不变,改变槽码的个数,按上面步骤再做几次实验。7.在每条纸带上都要选取一段比较理想的部分,算出每条纸带加速度的值并记录在表格中。
9.用纵坐标表示加速度a,横坐标表示拉力F,即槽码重力m′g,根据实验数据在坐标纸上描出相应的点并作图线。
8.保持槽码质量不变,在小车上放砝码改变小车的质量,重复上面的实验。把各次实验中的数据填入表格内。
四、数据处理1.加速度的测量方法一:在小车上安装一条打点计时器的纸带,根据纸带上打出的点由逐差法求加速度,即Δx=aT2。
2.以a为纵坐标,F为横坐标,根据各组数据描点、连线,如果这些点在一条过原点的直线上,说明a与F成正比,如图甲所示。
六、注意事项1.补偿阻力:补偿阻力时不要挂槽码,应连着纸带且通过打点计时器的限位孔,将长木板倾斜一定角度,此时小车在斜面上受到的合力为零。补偿了阻力之后,不管以后是改变槽码的个数,还是改变小车的质量,都不需要重新补偿阻力。2.实验控制条件:必须满足小车和砝码的总质量远大于槽码的总质量。只有如此,槽码的总重力才可视为与小车受到的拉力相等。
3.小车应靠近打点计时器且先接通电源再放手。4.作图像时,要使尽可能多的点落在所作直线上,不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧,离直线较远的点应该舍去不予考虑。
类型一　实验原理及实验操作[典例1] (2022·金华期末)如图所示为“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置。(1)实验可能用到的两种打点计时器构造如图所示,以下说法正确的是　　　　。(多选) A.图甲是电磁打点计时器,图乙是电火花计时器B.图甲使用的电源是交流220 V,图乙使用的电源是直流8 V左右C.电磁打点计时器和电火花计时器在本实验中的作用是相同的D.利用打点计时器可以直接测量计数点的瞬时速度。
解析:(1)图甲是电磁打点计时器,图乙是电火花计时器,故A正确;电磁打点计时器的电源是交流8 V左右,电火花计时器的电源是交流220 V,故B错误;电磁打点计时器和电火花计时器在本实验中的作用是相同的,都是用来计时的仪器,故C正确;利用打点计时器可以直接测量计数点间的位移,但不能直接测出速度,需要利用公式计算,故D错误。
[典例1] (2022·金华期末)如图所示为“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置。
(2)某次实验过程中,打出了一条纸带,打点计时器打点的时间间隔为0.02 s,从比较清晰的点起,每5个点取一个计数点,量出相邻计数点之间的距离,如图丙所示。该小车的加速度a=　　　 m/s2。(结果保留两位有效数字) 
(3)关于补偿阻力的说法正确的是　　　　。(多选) A.“补偿阻力”的本质就是让小车受到的摩擦力为零B.“补偿阻力”的本质就是使小车所受重力沿斜面向下的分力与所受到的阻力平衡C.只要“补偿阻力”,小车所受的合力就一定等于所挂槽码的重力D.“补偿阻力”是否成功,可根据实验正确操作后,纸带上的点迹间距是否均匀而确定
解析:(3)实验中“补偿阻力”的本质就是使小车所受重力沿斜面向下的分力与所受到的阻力平衡,且“补偿阻力”是否成功,可根据实验正确操作后,纸带上的点迹间距是否均匀而确定,故B、D正确,A错误;“补偿阻力”后,只有小车质量远大于槽码的质量,才能认为小车所受的合力等于所挂槽码的重力,故C错误。
类型二　数据处理与误差分析[典例2] 在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,某实验小组将实验器材组装后,如图所示为释放小车前瞬间的情境。(图甲为实际拍摄图,图乙为相应的简图)
(1)在接通电源进行实验之前,请你指出图中的错误或不妥之处(写出两处即可):①　　　　　　　　　　;②　　　　　　　　　　。 
解析:(1)电磁打点计时器使用的是低压交流电源,而不是直流电源;接通电源前,小车应紧靠打点计时器,而在题图中小车初始位置离打点计时器太远;另外该实验需要平衡摩擦力,使得小车所受合力等于细绳的拉力。
答案:(1)①电磁打点计时器未使用约为8 V的低压交流电源;②小车未靠近打点计时器;③没有平衡摩擦力(写出两处即可)
[典例2] 在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,某实验小组将实验器材组装后,如图所示为释放小车前瞬间的情境。(图甲为实际拍摄图,图乙为相应的简图)
(2)改正实验装置后,该组同学顺利地完成了实验。同组的四位同学利用同一条纸带求小车运动的加速度,分别作出了如图丙所示的四幅图像,其中最规范的是　　　　。 
解析:(2)描绘图像时取坐标单位不能随意,要使得大部分点落在整个坐标区域中,故A、D错误;描完点后,先大致地判断这些点是不是在一直线上,然后画一直线,让这些点均匀地分布在这条直线的两侧,故B错误,C正确。
实验数据的处理方法——图像法、“化曲为直”法(1)研究加速度a和力F的关系。以加速度a为纵坐标,力F为横坐标,根据测量数据描点,然后作出图像,如图甲所示,若图像是一条通过原点的直线,就能说明a与F成正比。
类型三　实验创新与拓展[典例3] 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中。(1)若采用如图甲、乙所示的实验装置与方案,通过黑板擦控制两小车的起动与停止,将测量两车的加速度转换为测量两车的位移。实验中不需要测量的物理量是　　　　(填字母代号)。 A.小车运动的时间B.小车通过的位移C.盘和盘中重物的总质量D.车和车上重物的总质量
[典例3] 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中。(2)在用DIS“研究小车加速度与力的关系”实验时,所用实验装置如图丙所示,重物通过细线跨过滑轮拉相同质量小车,用位移传感器测定位移,用力传感器测得拉力F,改变重物的质量重复实验多次,记录多组数据,并画出a-F图像。①该实验中,是否需要满足小车的质量远大于重物的质量?　　　　(选填“是”或“否”)。 
解析:(2)①在该实验中,直接用力传感器测得拉力F,随着重物的质量增大,拉力F测量是准确的,故不需要满足小车的质量远大于重物的质量。