新教材高中物理第5章牛頓運動定律第2節(jié)科學(xué)探究加速度與力質(zhì)量的關(guān)系學(xué)案

第2節(jié)科學(xué)探究:加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系課標(biāo)解讀課標(biāo)要求素養(yǎng)要求1.能夠依據(jù)實驗要求進(jìn)行實驗設(shè)計,學(xué)會選擇合理實驗方案進(jìn)行探究實驗。2.掌握實驗數(shù)據(jù)處理的方法。3.理解實驗探究的過程,知道減小實驗誤差的方法。1.科學(xué)思維:理解探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的科學(xué)探究方案,理解平衡摩擦力的原理及方法,有控制變量的意識。2.科學(xué)探究:能完成“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗,能設(shè)計實驗方案,培養(yǎng)學(xué)生收集信息、獲取證據(jù)的能力。3.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:經(jīng)歷實驗操作和測量的過程,體會探究過程中的嚴(yán)謹(jǐn)性,培養(yǎng)與人合作、學(xué)會分享的團(tuán)隊精神。一、實驗?zāi)康?.探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。2.學(xué)會用控制變量法研究物理規(guī)律。3.掌握運用圖像處理數(shù)據(jù)的方法。二、實驗器材帶滑輪的木板、薄墊塊、小車、細(xì)繩、重物(小鉤碼或沙桶等)、打點計時器、紙帶、交變電流、天平、砝碼、刻度尺。三、實驗原理與設(shè)計1.放在長木板上的小車在拉力的作用下做勻加速直線運動,實驗裝置如圖所示。(1)小車質(zhì)量的測量利用天平測出小車的質(zhì)量,在小車上增減砝碼可改變小車的質(zhì)量。(2)拉力的測量當(dāng)懸掛重物的質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量時,可以認(rèn)為重物的重力大小近似等于對小車的拉力的大小,即F≈mg,通過增減重物的方式來改變拉力的大小。(3)加速度的測量:通過分析紙帶上的點跡利用逐差法求得加速度。2.實驗設(shè)計有一個關(guān)鍵點:如何測量小車受到的合外力?常用方法是將木板一端墊高,使小車不掛重物時能勻速運動,此時小車重力沿斜面的分力恰好抵消其所受摩擦力及其他阻力;同時,所掛重物的質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。在此條件下,所掛的重物重力大小便可近似認(rèn)為等于作用于小車的合外力大小。四、實驗步驟1.用天平測出小車的質(zhì)量M,重物的質(zhì)量m。2.按實驗裝置圖把實驗器材安裝好,不把懸掛重物的細(xì)繩系在車上。3.平衡摩擦力:在木板裝有打點計時器的一端下面墊一木塊,移動木塊的位置,直至小車拖著紙帶運動時打點計時器在紙帶上打出的點分布均勻為止。這時,小車受到的摩擦力恰好與小車重力沿斜面的分力平衡。4.在細(xì)繩一端掛上重物,另一端通過滑輪系在小車前端,注意重物質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量。5.將小車靠近打點計時器后先接通電源,稍后再將小車由靜止釋放,打點計時器在紙帶上打下一系列的點,打完點后切斷電源,取下紙帶。6.保持小車的質(zhì)量M不變,改變重物的質(zhì)量m,重復(fù)步驟4和步驟5,再做三次實驗。7.在每條紙帶上選取一段比較理想的部分,計算小車的加速度a,將相關(guān)數(shù)據(jù)填入設(shè)計好的表格中。8.作aF的圖像,若圖像為過原點的直線,則證明加速度與力成正比。9.保持重物的質(zhì)量m不變,改變小車質(zhì)量M,重復(fù)步驟1、4、5和7,作a1M五、數(shù)據(jù)處理1.小車質(zhì)量M一定時,將所受拉力F與相應(yīng)加速度a的實驗數(shù)據(jù)填入表中。次數(shù)123456小車加速度a/(m·s2)重物的質(zhì)量m/kg拉力F/N用縱坐標(biāo)表示加速度,橫坐標(biāo)表示拉力,根據(jù)實驗結(jié)果畫出小車運動的aF圖像,從而得出加速度a與拉力F的關(guān)系。2.保持拉力一定,將小車質(zhì)量M與相應(yīng)的加速度實驗數(shù)據(jù)填入設(shè)計好的表格中。次數(shù)123456小車加速度a/(m·s2)小車質(zhì)量M/kg1M/kg根據(jù)實驗結(jié)果畫出小車運動的a1M圖像,從而得出加速度a與質(zhì)量M3.實驗結(jié)論(1)保持小車質(zhì)量不變時,小車的加速度a與所受拉力F成正比。(2)在力F不變時,小車的加速度a與質(zhì)量M成反比。六、誤差分析誤差分類產(chǎn)生原因減小方法偶然誤差質(zhì)量測量不準(zhǔn),計數(shù)點間距測量不準(zhǔn)多次測量求平均值小車所受拉力測量不準(zhǔn)1.正確平衡摩擦力2.使細(xì)繩和紙帶與長木板平行作圖不準(zhǔn)(1)合理選取坐標(biāo)軸的單位長度,使所有數(shù)據(jù)點盡量分布在整個坐標(biāo)平面(2)使盡可能多的點落在直線上,不能落在直線上的點均勻分布在直線兩側(cè),偏離直線較遠(yuǎn)的點舍去系統(tǒng)誤差重物的重力代替小車所受拉力使重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量七、注意事項1.實驗中應(yīng)先接通電源后釋放小車。2.在平衡摩擦力時,不要懸掛重物,但小車應(yīng)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大小相等、方向相反。3.改變懸掛重物的質(zhì)量過程中,要始終保證重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量。4.作圖時應(yīng)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(cè),但若遇到個別偏離較遠(yuǎn)的點可舍去。探究點一實驗原理和實驗操作例在“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.假設(shè)法B.理想實驗法C.控制變量法D.替代法(2)下列說法中正確的是。

A.每次改變小車質(zhì)量時,應(yīng)重新平衡摩擦力B.在探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系時,應(yīng)該改變拉力的大小C.在探究加速度與力的關(guān)系時,應(yīng)該改變小車的質(zhì)量D.在探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系時,為了直觀判斷二者間的關(guān)系,應(yīng)作出a1m答案(1)C(2)D解析(1)探究加速度與力的關(guān)系時,要控制小車質(zhì)量不變而改變拉力大小;探究加速度與質(zhì)量關(guān)系時,應(yīng)控制拉力不變而改變小車質(zhì)量;這種實驗方法是控制變量法,故選C。(2)實驗前要平衡摩擦力,每次改變小車質(zhì)量時,不需要重新平衡摩擦力,A錯誤;探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系時,應(yīng)該控制拉力的大小不變,B錯誤;在探究加速度與力的關(guān)系時,應(yīng)該保持小車的質(zhì)量不變,C錯誤;要直觀地反映兩者之間的關(guān)系,可以通過作圖來解決。但是只有作出一條直線,才可以直觀地反映兩個變量之間的關(guān)系。在探究加速度a與質(zhì)量m的關(guān)系時,為了直觀判斷二者間的關(guān)系,應(yīng)作出a1m探究歸納本實驗用到的實驗方法及注意事項1.實驗方法:控制變量法。2.實驗條件:①平衡摩擦力;②重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量;③細(xì)線與長木板平行。3.數(shù)據(jù)處理方法:圖像法——化曲為直。4.打點計時器的使用方法:一先一后一按住。先接通電源、后放開小車,小車到達(dá)滑輪之前按住小車。1.(多選)某實驗小組利用如圖所示的裝置探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。下列做法正確的是 ()A.調(diào)節(jié)滑輪的高度,使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長木板保持平行B.在調(diào)節(jié)木板傾斜程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.實驗開始前,應(yīng)讓木塊遠(yuǎn)離打點計時器D.通過增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時,不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜程度答案AD調(diào)節(jié)滑輪的高度,使?fàn)恳緣K的細(xì)繩與長木板保持平行,A正確;在調(diào)節(jié)木板傾斜程度平衡木塊受到的滑動摩擦力時,應(yīng)該不掛砝碼桶,只讓小車拖著紙帶在木板上做勻速運動即可,B錯誤;實驗時,應(yīng)讓木塊靠近打點計時器,C錯誤;平衡摩擦力時木塊滿足的關(guān)系是mgsinθ=μmgcosθ,兩邊可消掉m,則通過增減木塊上的砝碼改變質(zhì)量時,不需要重新調(diào)節(jié)木板傾斜程度,D正確。2.在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗中,當(dāng)作用力一定時(懸掛的重物或者沙桶重力不變),探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系,下列做法正確的是 ()A.平衡摩擦力時,應(yīng)將裝沙的小桶用細(xì)繩通過定滑輪系在小車上B.每次改變小車的質(zhì)量時,不需要重新平衡摩擦力C.實驗時,先放開小車,再接通打點計時器電源D.小車運動的加速度可從天平測出裝沙小桶和沙的質(zhì)量m以及小車質(zhì)量M,直接用公式a=mMg答案B平衡摩擦力時,應(yīng)將繩從小車上拿下去,輕輕推動小車,使小車沿木板運動,通過打點計時器打出來的紙帶判斷小車是否做勻速運動,A錯誤;每次改變小車的質(zhì)量時,小車的重力沿斜面的分力和摩擦力仍能抵消,不需要重新平衡摩擦力,B正確;實驗時,先放開小車,再接通打點計時器電源,由于小車運動較快,可能會使打出來的點很少,不利于數(shù)據(jù)的采集和處理,C錯誤;小車運動的加速度是利用紙帶測量的,要探究公式a=mgM的成立,所以不能直接用公式計算。探究點二數(shù)據(jù)處理和誤差分析例某實驗小組同學(xué)用如圖1所示的裝置“探究物體的加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”。(1)打點計時器是一種使用(填“交流”或“直流”)電源的計時儀器。

(2)在探究物體的加速度與力的關(guān)系時,保持不變的物理量是。

A.小車質(zhì)量B.塑料桶和桶中砝碼的質(zhì)量(3)實驗中,要使小車的質(zhì)量(填“遠(yuǎn)大于”或“遠(yuǎn)小于”)塑料桶和桶中砝碼的總質(zhì)量,才能認(rèn)為細(xì)線對小車的拉力等于塑料桶和桶中砝碼的總重力。

(4)圖2為某次實驗得到的紙帶,測出AB=1.2cm,AC=3.6cm,AD=7.2cm,計數(shù)點A、B、C、D中,每相鄰的兩個計數(shù)點之間有四個點未畫出,已知打點周期為0.02s,則小車運動時的加速度a=m/s2,打B點時小車的速度vB=m/s。

(5)當(dāng)小車的質(zhì)量一定時,測得小車的加速度a與拉力F的數(shù)據(jù)如表:F/N0.200.300.400.500.60a/(m·s2)0.100.230.270.400.49①根據(jù)表中數(shù)據(jù),在圖3所示坐標(biāo)系中作出aF圖像。②圖線存在截距,其原因是。

答案(1)交流(2)A(3)遠(yuǎn)大于(4)1.20.18(5)①圖見解析②未平衡摩擦力或木板的傾角太小,平衡摩擦力不足解析(1)打點計時器是一種使用交流電源的計時儀器。(2)探究加速度與力的關(guān)系時,要控制小車質(zhì)量不變,而改變拉力大小,A正確。(3)當(dāng)小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于塑料桶和桶中砝碼的總質(zhì)量時,才能認(rèn)為細(xì)線對小車的拉力等于塑料桶和桶中砝碼的總重力。(4)根據(jù)勻變速直線運動的推論公式Δs=aT2得:a=ΔsT2=(3.6-1.2-1.2)×10-20.12m/s2=1.2m/s2;打紙帶上B點時小車的速度為v(5)根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)描點作圖,如圖所示:根據(jù)圖線知,當(dāng)F不等于零時,加速度a仍然為零,說明未平衡摩擦力或木板的傾角太小,平衡摩擦力不足。探究歸納實驗誤差分析與注意事項明確實驗誤差的主要原因,知道實驗中為了減小實驗誤差而需要注意的事項,要從平衡摩擦力、塑料桶和桶中砝碼的總重力與細(xì)線對小車的拉力的關(guān)系、質(zhì)量與長度的測量、描點作圖等幾方面分析和討論問題。1.偶然誤差本實驗的偶然誤差主要由質(zhì)量的測量、計數(shù)點間距的測量引起,可通過多次測量取平均值減小誤差。2.系統(tǒng)誤差:(1)平衡摩擦力過程不準(zhǔn)確造成的誤差,aF圖線和a1M(2)由于不滿足小車質(zhì)量遠(yuǎn)大于塑料桶和桶中砝碼的總質(zhì)量而引起的誤差,aF圖線和a1M在做“探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系”的實驗中,采用如圖1所示的實驗裝置,小車及車中砝碼的總質(zhì)量用M表示,盤及盤中砝碼的總質(zhì)量用m表示,小車的加速度可由小車拖動的紙帶上的點計算得出。(1)當(dāng)M與m的大小關(guān)系滿足時,才可以認(rèn)為繩對小車的拉力大小等于盤及盤中砝碼的重力。

(2)如圖2中圖(a)是甲同學(xué)根據(jù)測量數(shù)據(jù)作出的aF圖線,說明實驗存在的問題是。

(3)乙、丙同學(xué)用同一裝置做實驗,畫出了各自得到的aF圖線,如圖2中圖(b)所示,兩個同學(xué)做實驗的哪一個物理量取值不同?答:。

(4)實驗時,某同學(xué)由于疏忽,遺漏了平衡摩擦力這一步驟,作出aF圖像,他可能作出圖3中(選填“甲”“乙”或“丙”)圖線。此圖線的AB段明顯偏離直線,造成此誤差的主要原因是(填選項即可)。

圖3A.小車與軌道之間存在摩擦B.導(dǎo)軌保持了水平狀態(tài)C.盤及盤中砝碼的總質(zhì)量太大D.所用小車的質(zhì)量太大(5)該同學(xué)正確操作后,得到一條表示小車運動過程的清晰紙帶如圖4所示,紙帶上兩相鄰計數(shù)點的時間間隔為T=0.10s,其中s1=3.59cm,s2=4.41cm,s3=5.19cm,s4=5.97cm,s5=6.78cm,s6=7.64cm,則A點處的瞬時速度大小是m/s,加速度的大小是m/s2。(結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)

圖4答案(1)M?m(2)平衡摩擦力過度(3)小車及車中砝碼的總質(zhì)量不同(4)丙C(5)0.560.80解析(1)當(dāng)M?m時,才能認(rèn)為細(xì)繩對小車的拉力等于盤及盤中砝碼的重力。(2)圖(a)中沒有拉力時就有加速度,