實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系課件 2024-2025學(xué)年高一上學(xué)期物理人教版（2019）必修第一冊(cè)

第四章運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系

4.2實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系速度是描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，加速度是描述速度變化快慢的物理量。因此也可以說(shuō)，加速度是描述物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化快慢的物理量。由前面的學(xué)習(xí)我們知道，力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，質(zhì)量大的物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不容易改變。這說(shuō)明，加速度與力、質(zhì)量之間必然存在一定的關(guān)系。下面我們來(lái)探究加速度與力、質(zhì)量之間的定量關(guān)系。本節(jié)實(shí)驗(yàn)分別從“加速度與力的關(guān)系”和“加速度與質(zhì)量的關(guān)系”兩方面進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)思路將小車置于水平木板上，通過(guò)滑輪與槽碼相連。小車可以在槽碼的牽引下運(yùn)動(dòng)。（如圖）加速度與力的關(guān)系保持小車質(zhì)量不變，通過(guò)改變槽碼的個(gè)數(shù)改變小車所受的拉力。小車所受的拉力可認(rèn)為與槽碼所受的重力相等。測(cè)得不同拉力下小車運(yùn)動(dòng)的加速度，分析加速度與拉力的變化情況，找出二者之間的定量關(guān)系?？勺C明這兩個(gè)力只是近似相等，條件是槽碼的質(zhì)量要比小車的質(zhì)量小很多。槽碼牽引小車運(yùn)動(dòng)加速度與質(zhì)量的關(guān)系保持小車所受的拉力不變，通過(guò)在小車上增加重物改變小車的質(zhì)量。測(cè)得不同質(zhì)量的小車在這個(gè)拉力下運(yùn)動(dòng)的加速度，分析加速度與質(zhì)量的變化情況，找出二者之間的定量關(guān)系。從實(shí)驗(yàn)的角度，同時(shí)研究某個(gè)物理量與另外兩個(gè)或多個(gè)物理量之間的定量關(guān)系是非常困難的。面對(duì)這樣的問(wèn)題，我們通常采用控制變量的方法進(jìn)行研究。物理量的測(cè)量本實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量的物理量有三個(gè)：物體的質(zhì)量、物體所受的作用力和物體運(yùn)動(dòng)的加速度。質(zhì)量的測(cè)量可以用天平測(cè)量質(zhì)量。為了改變小車的質(zhì)量，可以在小車中增減砝碼的數(shù)量。

這樣，測(cè)量加速度就轉(zhuǎn)換成測(cè)量位移了。

力的測(cè)量現(xiàn)實(shí)中，僅受一個(gè)力作用的物體幾乎不存在。然而，一個(gè)單獨(dú)的力的作用效果與跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的。因此，實(shí)驗(yàn)中作用力F的含義可以是物體所受的合力。如何為運(yùn)動(dòng)的物體提供一個(gè)恒定的合力，如何測(cè)出這個(gè)合力是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，有很多可行的方法。下面參考案例中的方法可供選用，也可以設(shè)計(jì)其他方法。參考案例1用阻力補(bǔ)償法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。把木板的一側(cè)墊高，以補(bǔ)償打點(diǎn)計(jì)時(shí)器對(duì)小車的阻力及其他阻力。調(diào)節(jié)木板的傾斜度，使小車在不受牽引時(shí)能拖動(dòng)紙帶沿木板勻速運(yùn)動(dòng)。將槽碼、小車、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶安裝好。通過(guò)改變槽碼的個(gè)數(shù)可以成倍地改變小車所受的拉力，與此相對(duì)應(yīng)，處理紙帶上打出的點(diǎn)來(lái)測(cè)量加速度。保持小車受的拉力不變，通過(guò)增減小車中的重物改變小車的質(zhì)量。處理紙帶上打出的點(diǎn)來(lái)測(cè)量加速度。參考案例2將兩輛相同的小車放在水平木板上，前端各系一條細(xì)線，線的另一端跨過(guò)定滑輪各掛一個(gè)小盤，盤中可以放不同的重物。把木板一端墊高，參考案例1的方法補(bǔ)償阻力的影響。用黑板擦控制小車的動(dòng)與停兩小車后端各系一條細(xì)線，用一個(gè)物體，例如黑板擦，把兩條細(xì)線同時(shí)按壓在木板上如圖。抬起黑板擦，兩小車同時(shí)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，按下黑板擦，兩小車同時(shí)停下來(lái)。用刻度尺測(cè)出兩小車移動(dòng)的位移x1、x2。由于兩小車運(yùn)動(dòng)時(shí)間t相同，從它們的位移之比就可以得出加速度之比。在盤中重物相同的情況下，通過(guò)增減小車中的重物改變小車的質(zhì)量。通過(guò)位移之比測(cè)量加速度之比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)調(diào)試實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。加速度與力的關(guān)系

設(shè)計(jì)表格，把測(cè)得的同一個(gè)小車在不同拉力F作用下的加速度a填在表1中。拉力F加速度a表1小車質(zhì)量一定加速度與質(zhì)量的關(guān)系設(shè)計(jì)表格，把測(cè)得的不同質(zhì)量的小車在相同拉力作用下的加速度a填在表2中。表2

小車所受的拉力一定質(zhì)量m加速度a數(shù)據(jù)分析為了更直觀地判斷加速度a與拉力F的定量關(guān)系，我們以a為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系。根據(jù)各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上描點(diǎn)。如果這些點(diǎn)在一條過(guò)原點(diǎn)的直線附近，說(shuō)明加速度a與拉力F成正比。如果不是這樣，則需進(jìn)一步分析。為了分析加速度a與質(zhì)量m的定量關(guān)系，我們同樣需要建立直角坐標(biāo)系。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，在相同拉力作用下，質(zhì)量m越大，加速度a越小。這可能是“a與m成反比”，但也可能是“a與m2成反比”，甚至是更復(fù)雜的關(guān)系。我們從最簡(jiǎn)單的情況入手，檢驗(yàn)是否“a與m成反比”。

科學(xué)方法控制變量控制變量的方法是指在研究和解決問(wèn)題的過(guò)程中，對(duì)影響事物變化規(guī)律的獨(dú)立因素加以人為控制，使其中只有一個(gè)因素按照特定的要求發(fā)生變化，而其他因素保持不變，以利于尋找事物發(fā)展變化的規(guī)律的方法。例如，在研究某個(gè)物理量y與另外兩個(gè)變量x1、x2的關(guān)系時(shí)，先固定一個(gè)變量x2不變，研究y與另一個(gè)變量x1之間的定量關(guān)系；然后再固定變量x1不變，研究y與x2之間的關(guān)系。本節(jié)在探究加速度與力、質(zhì)量之間的關(guān)系時(shí)，就采用了控制變量的方法。以后在研究涉及多個(gè)變量的規(guī)律時(shí)，還會(huì)用到控制變量的方法，它是科學(xué)研究中常用的一種方法。次數(shù)123456小車加速度a/(m·s－2)槽碼的質(zhì)量m/kg拉力F/N次數(shù)123456小車加速度a/(m·s－2)小車質(zhì)量M/kg實(shí)驗(yàn)結(jié)論：（注意：這里的力指的是物體所受的合外力）1、m一定，加速度a與F的定量關(guān)系：2、F一定，加速度a與m的定量關(guān)系:1、繩拉小車的力是不是小車受到的合外力？不是。如果將木板的一端稍作墊高，平衡掉摩擦力，使小車勻速下滑，此時(shí)拉力才等于合外力。2、繩子的拉力等于砝碼的重量嗎？為什么？不等于！因?yàn)轫来a向下加速，所以繩子的拉力小于砝碼的重力。3、什么情況下砝碼重力可以近似等于繩子拉力即小車所受的合外力？當(dāng)砝碼質(zhì)量比小車質(zhì)量小得多時(shí)，繩子的拉力近似等于砝碼的重力，即小車受到的合外力近似等于砝碼的重力。思考與討論：4、如何來(lái)平衡摩擦力？在長(zhǎng)木板的一端，即沒(méi)有安裝定滑輪的那一側(cè)，我們放置了一塊木板作為支撐。通過(guò)不斷地調(diào)整這塊木板的位置，我們最終找到了一個(gè)點(diǎn)，使得小車在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠保持穩(wěn)定的勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在這個(gè)狀態(tài)下，小車在拖動(dòng)紙帶時(shí)所受到的摩擦阻力，與小車自身重力在斜面方向上產(chǎn)生的分力，達(dá)到了完美的平衡。學(xué)以致用例1在“探究加速度a與力F、質(zhì)量m關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，某實(shí)驗(yàn)小組得到了四條a-F圖線，其中可能沒(méi)有平衡摩擦力的是（

）A.B.C.D.答案：A例2如圖所示是小剛同學(xué)利用教材提供的方案進(jìn)行“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)時(shí)，正要打開(kāi)夾子時(shí)的情況，小強(qiáng)同學(xué)指出實(shí)驗(yàn)存在下列幾處錯(cuò)誤，其中不正確的是（）A．該實(shí)驗(yàn)前沒(méi)有平衡摩擦力B．拉小車的細(xì)線應(yīng)平行桌面C．實(shí)驗(yàn)電源應(yīng)為交流電源D．小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器且打點(diǎn)計(jì)時(shí)器應(yīng)距左端較近答案：D例3某同學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)利用牛頓第二定律測(cè)量小車質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。其中，M為帶滑輪的小車質(zhì)量，m為砂和砂桶的質(zhì)量，力傳感器可以測(cè)出輕繩的拉力大小，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所接電源頻率為50Hz。則：(1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器是一種每隔______s打一次點(diǎn)，通過(guò)打點(diǎn)記錄做直線運(yùn)動(dòng)的物體位置的儀器。(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，一定要進(jìn)行的操作是().A.將帶滑輪的長(zhǎng)木板右端適當(dāng)墊高，以平衡摩擦力B.用天平測(cè)出砂和砂桶的質(zhì)量mC.小車靠近打點(diǎn)計(jì)時(shí)器,先接通電源,再釋放小車,打出一條紙帶,同時(shí)記錄力傳感器的示數(shù)D．為了減小誤差，實(shí)驗(yàn)中一定要保證砂和砂桶的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量M(3)該同學(xué)正確操作實(shí)驗(yàn)后，通過(guò)對(duì)紙帶分析測(cè)出了小車的加速度為1.42m/s2，力傳感器的示數(shù)為0.15N，則小車的質(zhì)量為_(kāi)______kg（保留兩位有效數(shù)字）。0.02AC0.21答案：例4物理小組在一次探究活動(dòng)中測(cè)量滑塊與木板之間的動(dòng)摩擦因數(shù).實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示,一表面粗糙的木板固定在水平桌面上,一端裝有定滑輪;木板上有一滑塊,其一端與電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶相連,另一端通過(guò)跨過(guò)定滑輪的細(xì)線與托盤連接.打點(diǎn)計(jì)時(shí)器使用的交流電源的頻率為50Hz.開(kāi)始實(shí)驗(yàn)時(shí),在托盤中放入適量砝碼,滑塊開(kāi)始做勻加速運(yùn)動(dòng),在紙帶上打出一系列小點(diǎn).(1)下圖給出的是實(shí)驗(yàn)中獲取的一條紙帶的一部分,0、1、2、3、4、5、6、7是計(jì)數(shù)點(diǎn),每相鄰兩計(jì)數(shù)點(diǎn)間還有4個(gè)打點(diǎn)(圖中未標(biāo)出),計(jì)數(shù)點(diǎn)間的距離如圖所示.根據(jù)圖中數(shù)據(jù)計(jì)算的加速度a=________.(保留三位有效數(shù)字).(2)回答下列兩個(gè)問(wèn)題:①為測(cè)量動(dòng)摩擦因數(shù),下列物理量中還應(yīng)測(cè)量的有_____.(填入所選物理量前的字母)A.木板的長(zhǎng)度LB.木板的質(zhì)量m1C.滑塊的質(zhì)量m2D.托盤和砝碼的總質(zhì)量m3E.滑塊運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t②測(cè)量①中所選定的物理量時(shí)需要的實(shí)驗(yàn)器材是_____.(3)滑塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=_____(用被測(cè)物理量的字母表示,重力加速度為g).與真實(shí)值相比,測(cè)量的動(dòng)摩擦因數(shù)_____(填“增大”或“偏小”).寫出支持你的看法的一個(gè)論據(jù):_____.解析