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第二節(jié)
科學(xué)探究：加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系
第五章 牛頓運(yùn)動(dòng)定律
目錄
學(xué)習(xí)目標(biāo)
01
情景導(dǎo)入
02
新課講解
03
小試牛刀
04
課堂小結(jié)
05
學(xué)習(xí)目標(biāo)
學(xué)習(xí)目標(biāo)
1.學(xué)會(huì)用控制變量法研究物理規(guī)律。
2.掌握利用圖像法處理數(shù)據(jù)的方法，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。
3.學(xué)會(huì)與他人合作、交流完成探究過程和結(jié)果，提升科學(xué)推理論證的能力。
情境導(dǎo)入
相同的物體，用較小的力推，速度變化的慢，即獲得較小的加速；用較大的力推，速度變化的快，即獲得較大的加速度；
用相同大小的力分別推質(zhì)量小的物體和質(zhì)量大的物體，質(zhì)量小的物體會(huì)獲更大的加速度
問題：加速度與力、質(zhì)量有什么樣的關(guān)系？
新課講解
（一）探究方法：控制變量法
（二）探究思路：
（三）探究裝置：
一、實(shí)驗(yàn)思路與方法
質(zhì)量 M 不變
分析加速度 a 與力 F 的關(guān)系
拉力 F 不變
分析質(zhì)量 M 與加速度 a 的關(guān)系
二、物理量的測量
使用天平測量出小車的質(zhì)量 M
通過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶計(jì)算出小車的加速度 a
槽碼的總重力 G 當(dāng)做小車受到的拉力 F
方法二：將打點(diǎn)計(jì)時(shí)器連在小車上，根據(jù)紙帶上打出的點(diǎn)計(jì)算小車的角速度；
加速度的獲得
方法一：如果小車做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，則直接用刻度尺測量位移并用停表測量時(shí)間，然后由公式 可算出;
方法三：初速度為零時(shí)， ，如果測出兩個(gè)初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)在相同時(shí)間內(nèi)發(fā)生的位移分別為 x1、x2，則位移之比就等于加速度之比，即
F
直接用彈簧測力計(jì)拉小車，可以嗎？還是借助定滑輪和鉤碼來拉？
m0g
如何提供和測量小車所受的恒力
我來提供恒力！
摩擦力對實(shí)驗(yàn)有影響嘛？
平衡摩擦力：把安裝有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的軌道一端墊高，使得小車的部分重力與摩擦力 Ff 平衡
如何提供和測量小車所受的恒力
打點(diǎn)計(jì)時(shí)器
紙帶
小車受到細(xì)線的拉力可以直接由彈簧測力計(jì)讀出
或在小車前端增加力傳感器
力傳感器
用天平測出小車的質(zhì)量 M ，并把數(shù)據(jù)記錄下來。
按實(shí)驗(yàn)裝置圖把實(shí)驗(yàn)器材安裝好（小車上不系繩，安裝紙帶）。
平衡摩擦力。（阻力補(bǔ)償法）
用細(xì)線將鉤碼與小車相連（槽碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量），打開打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，釋放小車，指代記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況，測出一組數(shù)據(jù)。
控制小車質(zhì)量不變，改變槽碼數(shù)量，多測幾組數(shù)據(jù)。
控制槽碼質(zhì)量不變，改變小車質(zhì)量，再測幾組數(shù)據(jù)。
計(jì)算出每次實(shí)驗(yàn)所得紙帶的加速度值。
三、實(shí)驗(yàn)步驟
次數(shù) F/N a/m ·s -2
1
2
3
4
5
0.10 0.146
0.20 0.302
0.30 0.428
0.50 0.751
F/ N
a/m·s -2
0.15
0.30
0.45
0.60
0.75
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：質(zhì)量一定時(shí)，加速度與力的大小成正比
四、數(shù)據(jù)處理——加速度與力
a-F 圖線分析
a
F
O
①圖線的上部彎曲
當(dāng)小車受力 F 較大時(shí)，不滿足“重物的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車和車上砝碼的總質(zhì)量”
②圖線與 a 軸有截距
平衡摩擦力時(shí)長木板的傾角過大，即 F = 0（不掛重物）時(shí)小車就具有了加速度
③圖線與 F 軸有截距
沒有平衡摩擦力或長木板的傾角過小以致平衡摩擦力不足，只有當(dāng) F 增大到一定值時(shí)，小車才獲得加速度
M / kg
a/m·s -2
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
次數(shù) M/kg a/m ·s -2
1
2
3
4
5
/kg -1
2.50
2.00
1.33
1.00
0.83
M
1
0.400 0.861
0.500 0.692
0.750 0.470
1.000 0.352
1.200 0.290
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：力的大小一定時(shí)，加速度與質(zhì)量成反比
四、數(shù)據(jù)處理——加速度與質(zhì)量
1．實(shí)驗(yàn)中應(yīng)先接通電源后釋放小車。
2．在平衡摩擦力時(shí)不要懸掛任何物體。
3．改變鉤碼的質(zhì)量過程中，要始終保證鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量，這時(shí)線的拉力近似等于鉤碼的重力。
4．作圖時(shí)應(yīng)使所作的直線通過盡可能多的點(diǎn)，不在直線上的點(diǎn)也要盡可能的分布在直線的兩側(cè)，但若遇到個(gè)別偏離較遠(yuǎn)的點(diǎn)可舍去。
五、注意事項(xiàng)
類別 產(chǎn)生原因 減小方法
偶然誤差 質(zhì)量測量不準(zhǔn)、計(jì)數(shù)點(diǎn)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準(zhǔn)確平衡摩擦力
②使細(xì)繩和紙帶平行于木板
作圖不準(zhǔn) 使盡可能多的點(diǎn)落在直線上或均勻分布在直線的兩側(cè)，誤差較大的點(diǎn)舍去
系統(tǒng)誤差 小盤及重物的總重力代替小車所受的拉力 使小盤和重物的總質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量
六、誤差分析
通過測量并計(jì)算出加速度之比進(jìn)行探究
1、實(shí)驗(yàn)器材：兩輛相同的小車、一端帶滑輪的長木板、細(xì)線、拖物盤、黑板檫、重物等
七、其他常用實(shí)驗(yàn)探究方案
黑板檫
黑板檫
通過測量并計(jì)算出加速度之比進(jìn)行探究
實(shí)驗(yàn)思想
通過比較 x 的大小關(guān)系，就可以知道 a 的大小關(guān)系
控制變量
控制變量的方法是指在研究和解決問題的過程中，對影響事物變化規(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。
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，它是科學(xué)研究中常用的一種方法。
八、控制變量法
小試牛刀
1.在“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，為了能直觀判斷加速度a與質(zhì)量m之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)( )
A.改變合外力大小，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出 圖像
B.改變合外力大小，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出 圖像
C.保持合外力大小不變，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出 圖像
D.保持合外力大小不變，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出 圖像
D
答案：D
解析：為了探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，應(yīng)保持合外力大小F不變，為了直觀地判斷加速度a與質(zhì)量m的數(shù)量關(guān)系，應(yīng)作出 圖象，故選項(xiàng)D正確。
2.“探究小車加速度與質(zhì)量的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，小車通過紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器相連。平衡摩擦力時(shí)應(yīng)( )
A.將長木板的B端適當(dāng)墊高
B.將長木板的A端適當(dāng)墊高
C.在砝碼盤的牽引下使小車加速運(yùn)動(dòng)
D.在砝碼盤的牽引下使小車勻速運(yùn)動(dòng)
A
答案：A
解析：平衡摩擦力時(shí)，使得重力沿斜面方向的分力等于摩擦力，所以應(yīng)將木板的B端適當(dāng)墊高，不懸掛砝碼，輕推小車，使小車拖著紙帶能夠做勻速直線運(yùn)動(dòng)，摩擦力得到平衡。故A正確，BCD錯(cuò)誤；故選A。
學(xué)習(xí)目標(biāo)
情境導(dǎo)入
新課講解
小試牛刀
課堂小結(jié)
3.用如圖所示的實(shí)驗(yàn)裝置探究“質(zhì)量一定時(shí)，物體加速度與所受合外力的關(guān)系”，小車的質(zhì)量為M，托盤和砝碼的總質(zhì)量為m，平衡摩擦力后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)( )
A.要保證m遠(yuǎn)小于M
B.小車所受的合外力等于2mg
C.釋放小車后立即接通打點(diǎn)計(jì)時(shí)器
D.在托盤中增加砝碼，重復(fù)實(shí)驗(yàn)
D
答案：D
解析：A.探究“質(zhì)量一定時(shí)，物體加速度與所受合外力的關(guān)系”時(shí)由于傳感器測量小車的合力，無需m遠(yuǎn)小于M，故A錯(cuò)誤；
B.對托盤和砝碼根據(jù)牛頓第二定律得
所以 ，即 ，故B錯(cuò)誤；
C.先接通電源，再釋放小車，故C錯(cuò)誤；
D.探究“質(zhì)量一定時(shí)，物體加速度與所受合外力的關(guān)系”時(shí)保持小車質(zhì)量不變，在托盤中增加砝碼，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，故D正確。
學(xué)習(xí)目標(biāo)
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新課講解
小試牛刀
課堂小結(jié)
4.（1）甲、乙、丙三個(gè)實(shí)驗(yàn)小組分別采用如圖（a）、（b）、（c）所示的實(shí)驗(yàn)裝置，驗(yàn)證“當(dāng)質(zhì)量一定時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)的加速度與它所受的合力成正比”這一物理規(guī)律.已知他們使用的小車完全相同，小車的質(zhì)量為M，重物的質(zhì)量為m.
學(xué)習(xí)目標(biāo)
情境導(dǎo)入
新課講解
小試牛刀
課堂小結(jié)
①必須平衡小車和長木板之間的摩擦力的實(shí)驗(yàn)小組是_______.
A.甲、乙、丙 B.甲、乙 C.甲、丙
②實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須滿足“M遠(yuǎn)大于m”的實(shí)驗(yàn)小組是_______.
（2）小明同學(xué)采用圖（c）實(shí)驗(yàn)裝置探究質(zhì)量一定時(shí)加速度與力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)時(shí)，以彈簧測力計(jì)的示數(shù)F為橫坐標(biāo)，加速度a為縱坐標(biāo)，畫出a-F 圖像，求得圖線的斜率為k，則小車的質(zhì)量為_______.
A. B. C. D.k
A
甲
C
答案：（1）①A；②甲 （2）C
解析：①甲、乙、丙三個(gè)小組的實(shí)驗(yàn)中，小車在長木板上運(yùn)動(dòng)過程中均受到摩擦力，所以都需要補(bǔ)償阻力，A正確.
②由題圖可知，乙小組實(shí)驗(yàn)和丙小組實(shí)驗(yàn)中細(xì)線的拉力分別可以由力傳感器和彈簧測力計(jì)測量出，不需要用重物的重力替代細(xì)線的拉力，所以這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)不用滿足“M遠(yuǎn)大于m”，而甲小組實(shí)驗(yàn)用重物的重力替代細(xì)線的拉力，必須滿足“M遠(yuǎn)大于m”.
（2）對小車，根據(jù)牛頓第二定律（下節(jié)學(xué)習(xí)）有 ，
解得 ，所以 ，可得 ，C正確.
課堂小結(jié)
① 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄考铀俣扰c力、質(zhì)量的關(guān)系
實(shí)驗(yàn)方法：控制變量法、用天平測質(zhì)量、用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測速度.
數(shù)據(jù)處理：繪制 、 圖像
實(shí)驗(yàn)結(jié)論：加速度與力成正比，與質(zhì)量成反比.
1
2
M 相同時(shí)，加速度 a 與力 F 成正比；在相同力 F 作用下，加速度 a 與質(zhì)量 M 成反比
3
4
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