【新教材】高中物理人教版必修第一冊學(xué)案4.2實(shí)驗(yàn)探究加速度與力質(zhì)量的關(guān)系Word版含解析【高考】

2．實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系目標(biāo)體系構(gòu)建明確目標(biāo)·梳理脈絡(luò)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．學(xué)會(huì)用“控制變量法”探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系。2．會(huì)測量加速度、力和質(zhì)量，能作出物體運(yùn)動(dòng)的a－F、a－eq\f(1,M)圖像。3．通過圖像探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系?！舅季S脈絡(luò)】課前預(yù)習(xí)反饋教材梳理·落實(shí)新知一、實(shí)驗(yàn)思路1．實(shí)驗(yàn)裝置將小車置于__水平木板__上，通過滑輪與__槽碼__相連。小車可以在槽碼的牽引下運(yùn)動(dòng)。2．實(shí)驗(yàn)思路(1)加速度與力的關(guān)系保持小車__質(zhì)量不變__eq\o(→,\s\up7(改變槽碼的個(gè)數(shù)))測得不同__拉力__下小車運(yùn)動(dòng)的加速度eq\o(→,\s\up7(分析))加速度與__拉力__的變化情況eq\o(→,\s\up7(找出))二者之間的定量關(guān)系。(2)加速度與質(zhì)量的關(guān)系保持小車所受的__拉力不變__eq\o(→,\s\up7(改變小車的質(zhì)量))測得不同__質(zhì)量__的小車在這個(gè)拉力下運(yùn)動(dòng)的加速度eq\o(→,\s\up7(分析))加速度與__質(zhì)量__的變化情況eq\o(→,\s\up7(找出))二者之間的定量關(guān)系。二、物理量的測量1．質(zhì)量的測量：可以用__天平__測量。2．加速度的測量方法1：由x＝eq\f(1,2)at2計(jì)算出加速度a＝__eq\f(2x,t2)__。方法2：將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶連在小車上，根據(jù)__紙帶上__打出的點(diǎn)來測量加速度。方法3：兩個(gè)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)的物體，在相等時(shí)間內(nèi)的位移之比就等于加速度之比，即__eq\f(x1,x2)＝eq\f(a1,a2)__。3．力的測量：小車所受的拉力__替代__合力，用懸掛物重力替代小車所受的拉力。(條件是槽碼的質(zhì)量要比小車的質(zhì)量小很多)課內(nèi)互動(dòng)探究細(xì)研深究·破疑解難一、實(shí)驗(yàn)步驟1．安裝實(shí)驗(yàn)器材：將小車置于帶有定滑輪的木板上，將紙帶穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器后掛在小車尾部。2．平衡摩擦力：用薄墊塊將一端墊高，調(diào)整其傾斜程度，直到小車運(yùn)動(dòng)時(shí)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)分布均勻?yàn)橹埂?．懸掛重物：在細(xì)線一端掛上重物，另一端通過定滑輪系在小車前端。4．收集紙帶數(shù)據(jù)：將小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器后開啟打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，并讓小車由靜止釋放，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出一系列點(diǎn)，據(jù)此計(jì)算出小車的加速度。5．改變小車受力：(1)保持小車的質(zhì)量不變，通過增加槽碼的數(shù)量，增加重物的質(zhì)量(總質(zhì)量仍遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量)。接通電源后放開小車，用紙帶記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況。取下紙帶。并在紙帶上標(biāo)上號(hào)碼及所掛槽碼的總重力m1g。(2)重復(fù)步驟4，多做幾次實(shí)驗(yàn)，并記錄好相應(yīng)紙帶的編號(hào)及所掛槽碼的總重力m2g、m3g…6．改變小車質(zhì)量：(1)保持重物(小車所受的拉力)不變，通過增加或減少小車上的砝碼的方式，改變小車的質(zhì)量，接通電源后放開小車，用紙帶記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況。取下紙帶，并在紙帶上標(biāo)上號(hào)碼及小車和砝碼的總質(zhì)量M1。(2)繼續(xù)在小車上增加砝碼，重復(fù)步驟6，多做幾次實(shí)驗(yàn)，在每次實(shí)驗(yàn)得到的紙帶上標(biāo)上號(hào)碼及小車和砝碼的總質(zhì)量M2、M3…7．求加速度：用公式Δx＝aT2，求得小車的加速度a，將得到的數(shù)據(jù)填入相應(yīng)表格中，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。二、數(shù)據(jù)收集與分析1．列F、a數(shù)據(jù)收集表：把小車在不同力作用下產(chǎn)生的加速度填在表中：物理量123456作用力(槽碼的重力)加速度a2．作a－F圖像的方法：以a為縱坐標(biāo)，F(xiàn)為橫坐標(biāo)，根據(jù)數(shù)據(jù)作a－F圖像，用曲線擬合測量點(diǎn)，找出規(guī)律，分析a與F的關(guān)系。3．列M、a收集數(shù)據(jù)把不同質(zhì)量的小車(小車和砝碼)在相同力的作用下產(chǎn)生的加速度填在表中：物理量123456小車和砝碼質(zhì)量Meq\f(1,M)加速度a4．作a－eq\f(1,M)圖像的方法：分別以a為縱坐標(biāo)、M和eq\f(1,M)為橫坐標(biāo)，根據(jù)數(shù)據(jù)作a－M圖像和a－eq\f(1,M)圖像，分析a與M的關(guān)系。5．實(shí)驗(yàn)結(jié)論：(1)對同一物體，當(dāng)M不變時(shí)，物體的加速度a與所受力F成正比。(2)對不同物體，當(dāng)F不變時(shí)，物體的加速度a與質(zhì)量M成反比。三、注意事項(xiàng)1．平衡摩擦力時(shí)不要掛重物，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平衡了摩擦力后，不管以后是改變槽碼的個(gè)數(shù)，還是改變小車及砝碼的質(zhì)量，都不需要重新平衡摩擦力。2．實(shí)驗(yàn)中必須滿足小車和砝碼的總質(zhì)量遠(yuǎn)大于槽碼的總質(zhì)量。只有如此，砝碼和小盤的總重力才可視為與小車受到的拉力相等。3．各紙帶的加速度a，都應(yīng)是該紙帶上的平均加速度。4．作圖像時(shí)，要使盡可能多的點(diǎn)在所作直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)盡可能對稱分布在所作直線兩側(cè)。離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，可舍去不予考慮。5．釋放時(shí)小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，且先接通電源再放開小車。探究對實(shí)驗(yàn)原理及操作過程的考查┃┃典例剖析__■典題1用如圖所示的裝置研究在作用力F一定時(shí)，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(jì)的實(shí)驗(yàn)步驟如下：A．用天平稱出小車和小桶及內(nèi)部所裝沙子的質(zhì)量；B．按圖裝好實(shí)驗(yàn)器材；C．把輕繩系在小車上并繞過定滑輪懸掛沙桶；D．將電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接在電壓為6V的蓄電池上，接通電源，放開小車，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打下一系列點(diǎn)，并在紙帶上標(biāo)明小車質(zhì)量；E．保持小桶及其中沙子的質(zhì)量不變，增加小車上的砝碼個(gè)數(shù)，并記錄每次增加后的M值，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)；F．分析每條紙帶，測量并計(jì)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(shí)驗(yàn)步驟是__平衡摩擦力__，該步驟應(yīng)排在__B__步實(shí)驗(yàn)之后。(2)在上述步驟中，有錯(cuò)誤的是__D__，應(yīng)把__電壓為6V的蓄電池__改為__6V以下低壓交流學(xué)生電源__。(3)在上述步驟中，處理不恰當(dāng)?shù)氖莀_G__，應(yīng)把__a－M__改為__a－eq\f(1,M)__。思路引導(dǎo)：掌握實(shí)驗(yàn)原理及操作過程是處理該類問題的關(guān)鍵。解析：實(shí)驗(yàn)中把小桶及其中沙子的重力看作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(diǎn)計(jì)時(shí)器接在6V電壓的蓄電池上將無法工作，必須接在6V以下交流電壓的學(xué)生電源上。作a－M關(guān)系圖像，得到的是雙曲線，很難作出正確的判斷，必須“化曲為直”，改為a－eq\f(1,M)關(guān)系圖像。┃┃對點(diǎn)訓(xùn)練__■1．(2019·浙江省嘉興高一上學(xué)期期中)如圖所示是“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)裝置：(1)下圖是實(shí)驗(yàn)時(shí)平衡阻力的情形，其中正確的是__C__(選填字母)。(2)在平衡阻力后，當(dāng)小車總質(zhì)量__遠(yuǎn)大于__(填“遠(yuǎn)大于”“遠(yuǎn)小于”或“近似等于”)小盤及盤內(nèi)物體的總質(zhì)量時(shí)，小盤及盤內(nèi)物體的總重力大小近似等于小車運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的拉力大小。實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過增減小盤中__1g砝碼__(選填“50g鉤碼”或“1解析：(1)平衡阻力時(shí)，小車前面不能有拉力，小車后面要連接紙帶，紙帶要穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，故選C。(2)為減小誤差，小車總質(zhì)量要遠(yuǎn)大于小盤及盤內(nèi)物體的總質(zhì)量；實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)通過增減“1g”砝碼的個(gè)數(shù)來改變拉力的大小。探究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理┃┃典例剖析__■典題2在做“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)時(shí)，計(jì)算出各紙帶的加速度后，將測得的反映加速度a和F關(guān)系的有關(guān)資料記錄在表。將測得的反映加速度a和質(zhì)量M關(guān)系的有關(guān)資料記錄在表。表一a/(m·s－2)1.984.065.958.12F/N1.002.003.004.00表二a/(m·s－2)2.042.663.233.98eq\f(1,M)/kg－10.500.670.801.00(1)請根據(jù)表中所列數(shù)據(jù)，分別畫出a－F圖像和a－eq\f(1,M)圖像。(2)由圖像可以判定：當(dāng)M一定時(shí)，a與F的關(guān)系為__正比關(guān)系__；當(dāng)F一定時(shí)，a與M的關(guān)系為__反比關(guān)系__。(3)由a－F圖像可知M＝__0.5kg(4)由a－eq\f(1,M)圖像可知，F(xiàn)＝__4N__(保留一位有效數(shù)字)。思路引導(dǎo)：①根據(jù)數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖；②由圖像分析“a與F”“a與eq\f(1,M)”的關(guān)系；③根據(jù)“a與F、M”的關(guān)系求解M、F的值。答案：(1)a－F圖像和a－eq\f(1,M)圖像分別如圖甲、乙所示。解析：本題主要考查對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析，從而得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，若a與F成正比，a與eq\f(1,M)成正比，那么a－F圖像和a－eq\f(1,M)圖像都應(yīng)是一條過原點(diǎn)的直線，同時(shí)因?qū)嶒?yàn)中不可避免地出現(xiàn)誤差，描出的點(diǎn)不在一條直線上是很正常的，連線時(shí)應(yīng)使盡可能多的點(diǎn)在直線上，不在直線上的點(diǎn)應(yīng)大致對稱地分布在直線兩側(cè)，離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，不需考慮；另外可以從圖像的斜率的物理意義出發(fā)求出相應(yīng)的物理量。┃┃對點(diǎn)訓(xùn)練__■2．某同學(xué)用如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證牛頓第二定律，請回答下列有關(guān)此實(shí)驗(yàn)的問題：(1)該同學(xué)在實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備了圖1中所示的實(shí)驗(yàn)裝置及下列輔助器材：A．交流電源、導(dǎo)線B．天平(含配套砝碼)C．秒表D．刻度尺E．細(xì)線、沙和小沙桶其中不必要的器材是__C__(填代號(hào))。(2)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在小車拖動(dòng)的紙帶上打下一系列點(diǎn)跡，以此記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況。其中一部分紙帶上的點(diǎn)跡情況如圖2所示，已知打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)的時(shí)間間隔T＝0.02s，測得A點(diǎn)到B、C點(diǎn)的距離分別為x1＝5.99cm、x2＝13.59cm，則在打下點(diǎn)跡B時(shí)，小車運(yùn)動(dòng)的速度vB＝__0.680__m/s；小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的加速度a＝__1.61__m/s2。(結(jié)果保留三位有效數(shù)字)(3)在驗(yàn)證“質(zhì)量一定，加速度a與合外力F的關(guān)系”時(shí)，某學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出了如圖3所示的a－F圖像，其中圖線不過原點(diǎn)的原因是__平衡摩擦力過度__，圖線在末端彎曲的原因是__沙和沙桶的質(zhì)量太大__。解析：(1)在實(shí)驗(yàn)中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器可以測量時(shí)間，所以不需要秒表，上述器材中不必要的為C。(2)B點(diǎn)的速度等于AC段的平均速度，則有：vB＝eq\f(x2,2t)＝eq\f(0.1359,2×0.1)m/s≈0.680m/s根據(jù)Δx＝aT2得：a＝eq\f(xBC－xAB,t2)＝eq\f(x2－2x1,t2)＝eq\f(0.1359－2×0.0599