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第2节 实验：探究加速度与力、质量的关系
高中物理必修第一册课件
目录
CONTENT
高中物理必修第一册课件
实验思路
物理量的测量
实验方案
重难点突破
新课引入
01.
高中物理必修第一册课件
物体运动状态发生改变
速度发生了改变
产生了加速度
与力和质量有关
说明加速度与力、质量之间必然存在一定的关系。
那么，我们该如何探究加速度与力、质量之间定量关系呢？
实验思路
第一部分
问题与思考
01.
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从实验的角度，同时研究某个物理量与另外两个或多个物理量的定量关系是非常困难的。面对这样的问题，我们通常采用控制变量的方法进行研究。
你知道什么是控制变量法吗？
控制变量法
02.
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控制变量法是指在研究和解决问题的过程中，对影响事物变化规律的独立因素加以人为控制，使其中只有一个因素按照特定的要求发生变化，而其他因素保持不变，以利于寻找事物发展变化的规律的方法。例如，在研究某个物理量y与另外两个变量x1、x2的关系时，先固定一个变量x2不变，研究y与另一个变量x，之间的定量关系；然后再固定变量x1不变，研究y与x2之间的关系。
该如何设计这个实验呢？
实验装置
03.
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可以用图示装置完成这个探究实验。将小车置于水平木板上，通过滑轮与槽码相连。小车可以在槽码的牵引下运动。
具体该如何操作呢？
实验思路
04.
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1.探究加速度与力的关系：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，测得不同拉力下小车运动的加速度，分析加速度与拉力的定量关系.
2.探究加速度与质量的关系：
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，测得不同质量对应的加速度，分析加速度与质量的定量关系.
既然是定量关系，我们就必须要知道每个物理量的数值，测量是必不可少的！
物理量的测量
第二部分
质量的测量
01.
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测量工具：天平
可通过增减在小车上的砝码的数量来实现对小车质量的改变。
注意砝码与槽码的区别
加速度的测量
02.
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方法2：将打点计时器连在小车上，根据纸带上打出的点可测量加速度；
方法1：如果物体做初速度为零的匀加速直线运动，则可利用刻度尺测量位移和秒表测量时间，然后由公式 a=(2x)/t2算出;
方法3：利用比值法。由于a=(2x)/t2，测出两个初速度为零的匀加速运动在相同时间内发生的位移x1、x2，位移之比就是加速度之比
力的测量
03.
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T
T
1.如何给小车施加一个可以测量的恒力T呢？
直接用弹簧测力计拉小车，可以吗？还是借助定滑轮和钩码来拉？
m0g
2.细线给小车提供的拉力是小车受到合力吗？
不计摩擦，小车： F合=T ≈ m0g
计摩擦，小车 ：F合=T-f≠T
如何才能消除摩擦力的影响呢？
平衡摩擦力
04.
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平衡摩擦力：把轨道的一端垫高，使重力的分力Gsinθ与摩擦力Ff平衡。
操作：先不加细线，调整轨道，使小车刚好能匀速下滑（纸带上打出间隔均匀的点）。当再加上细线时，细线的拉力就等于小车受到的合力。
Gcosθ
Gsinθ
G
θ
θ
FN
Ff
一次补偿，多次测量
进行实验
第三部分
实验器材与设计
01
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器材：小车、打点计时器、纸带、一端带滑轮的长木板、细线、砝码、槽码、刻度尺、天平为器材，研究小车运动。
倾斜木板
补偿摩擦力
设计
实验过程
02.
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1.用天平测出小车的质量。
2.安装好实验装置，平衡摩擦力。
3.把细线系在小车上并绕过滑轮悬挂槽码，将车拉到打点计时器附近。
4.先打开计时器电源，再释放小车，得到纸带，并记下槽码重量。
5.改变槽码的重量，重复以上的步骤几次。
6.控制槽码质量不变，改变小车质量，再测几组数据。
7.设计表格，记录实验数据。
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次数 F/N a/m ·s -2
1
2
3
4
5
0.10 0.146
0.20 0.302
0.30 0.428
0.40 0.592
0.50 0.751
F/ N
a/m·s -2
0.15
0.30
0.45
0.60
0.75
0 0.1 0.3 0.5
小车质量一定
探究加速度与力的关系
03.
结论：说明a与F成正比
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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
次数 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
我们很难直观看出图线是否为双曲线，如果a-m图像是双曲线，则a 与 m 成反比，也就是a与 成正比。
小车所受拉力一定
探究加速度与质量的关系
04.
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实验视频
05.
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注意事项
06.
平衡摩擦力时不要挂槽码，一次实验只需要平衡一次摩擦力。
实验中必须满足小车和小车上所加砝码的总质量远大于槽码的总质量。
每次开始时，小车应尽量靠近打点计时器(或尽量远离带滑轮的一端)，且在小车到达滑轮前应按住小车。
作图线时，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，离直线较远的点应舍去。
还有其他实验方案吗？
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例题1
典例分析
图甲所示为“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置。
（1）在实验中，下列操作正确的是
A．打点前，小车应靠近打点计时器，要先接通电源,待计时器打点稳定后再释放小车
B．要舍去纸带上的密集点，然后选取计数点
C．在探究加速度与质量之间的关系时，直接根
据a-m图像即可判断加速度与质量是否成反比
D．实验中，应使小车的加速度尽量大些
【参考答案：AB】
07.
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例题1
典例分析
(2)在实验过程中, 打出了一条纸带如图乙所示，计时器打点的时间间隔为0.02s, 选取A、 B、C、D四个计数点, 每两个相邻计数点间有四个点没有画出. 从图乙中读出A, B两点间距s= cm; C点对应的速度是 m/s, 该小车的加速度大小a＝ m/s2(结果保留两位有效数字）。
（3）根据实验收集的数据作出的a－F图线如图丙所示，请结合图甲所
示的实验装置，写出一条对提高本实验结果准确程度有益的建议 。
0.70
0.10
0.20
实验前应先平衡摩擦力
07.
实验方案二
第四部分
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器材：小车、一端带滑轮的长木板、细线、砝码、钩码、天平、刻度尺、黑板擦或宽口夹子等
倾斜木板
补偿摩擦力
实验器材与设计
01
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探究加速度与力的关系
02.
小车质量一定：M= g,小车上砝码质量m= g,小盘质量M = g 次数 小车1 小车2
1
2
3
4
5
位移x1/cm
位移x2/cm
(M +m 2)g
(F2大小)
砝码质量m 2(g)
300
50
20
30
40
60
砝码质量m 1(g)
(M +m 1)g (F1大小)
70
10
0
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F2 / F1
x2 /x1
0
次数
1
2
3
4
x2
x1
F2
F1
F
a
探究加速度与力的关系
02.
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小车质量M= g,小盘质量M = g,盘中砝码质量m = g 次数 小车1 小车2
1
2
3
4
5
(M+m1)-M1
(M+m2)-M2
300 6 50
车上砝码质量m1(g)
位移x1/cm
100
50
150
200
250
车上砝码质量m2(g)
位移x2/cm
300
探究加速度与质量的关系
03.
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x2 /x1
0
次 数
1
2
3
4
x2
x1
M1 / M2
M1
M2
a
m
1
探究加速度与质量的关系
04.
实验结论
05.
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（注意：这里的力指的是物体所受的合外力）
1. m一定，加速度a与F的定量关系：
2. F一定，加速度a与m的定量关系:
加速度与力、质量之间的关系：
还有没有其他设计方案呢？
创新方案
第五部分
创新方案一
01.
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1. 利用气垫导轨探究
不需要平衡摩擦力
创新方案二
02.
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2. 利用弹簧测力计(水平悬挂)探究
弹簧测力计的示数的两倍就等于小车所受到的拉力
创新方案三
03.
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3. 利用弹簧测力计(竖直悬挂)探究
弹簧测力计的示数就是小车所受到的拉力
创新方案四
04.
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4. 利用力传感器探究
力传感器示数的两倍就等于小车所受到的拉力
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例题2
典例分析
图甲为“探究加速度与力、质量的关系” 装置示意图, 连接在小车后面的纸带穿过电火花打点计时器, 小车和挂在竖直面内的拉力传感器用一条柔软轻绳通过光滑的定滑轮和动滑轮连接起来, 拉力传感器是一种将物理信号转变为可测量的电信号输出的装置, 用于测小车受到拉力的大小。
（1）在安装器材时，要调整定滑轮的高度，使连接小车的细绳
与木板平行。这样做的目的是 （填字母代号）。
A.在补偿阻力时，应将拉力传感器、钩码通过滑轮用细绳拴在小车上
B.连接拉力传感器和小车的细绳应与长木板平行
C.补偿阻力后, 长木板位置不能移动, 每次改变小车质量时, 应重新补偿阻力
D.小车释放前应靠近打点计时器，但应先释放小车，再接通电源
【参考答案：B】
05.
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例题2
典例分析
（2）实验中 （填“需要”或“不需要”）满足所挂钩码质量远小于小车质量。
（3）某实验小组在小车加速下滑过程中得到如图乙所示一条纸带的一部分, 用毫米刻度尺测量并在纸带上标出了各段的长度，相邻两计数点间的距离如图乙所示，已知打点计时器使用的低压交流电源的频率为50Hz，相邻两计数点间还有4个计时点未标出，在A、B、C、D、E五个点中，打点计时器最先打出的是 点。在打出C点时小车的速度大小为 m/s；小车的加速度大小为 m/s2。（计结算果保3位有效字）
不需要
A
1.18
1.49
05.
重难点突破
第六部分
实验原理不完善引起的误差
01.
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设小车和重物的质量分别为M、m,细绳上的拉力大小为F，
小车和重物的加速度大小均为a,对小车有F = Ma(下节结
论)，对重物有mg-F =ma,由此可得 , 只
有在m<>m时, 图线会弯曲, a-F图像如图所示。
平衡摩擦力不准造成的误差
02.
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实验中需要平衡摩擦力，若未平衡摩擦力
或平衡摩擦力不当就会造成误差。
(1)如出现图中中①直线.说明平衡摩擦力过度.
即拉力F=0时,已经产生了加速度.若出况图中②直线，说明未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足, 因为拉力大于F0时才产生加速度。
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(2)岀现图乙中直线的原因分析如下(m表示小车的质量):
平衡摩擦力后，小车在木板上的受力应有F+mgsinθ-μmgcosθ =ma,
其中F为细绳的拉力。θ为木板与水平面间的夹角。
若未平衡摩擦力，则θ=0，上式可写为F-μmg = ma, 可得a= , F 一定, 只有m小到一定程度，即 大到一定程度，才有a＞0,产生加速度，说明图线②为未平衡摩擦力或平衡摩擦力不足造成的。
若平衡摩擦力过度，小车在木板上的受力应有F+mgsinθ - μmgcosθ = ma，可得 a= 。F一定，当 时，可将上式整理得
a=g(sinθ - μcosθ)，说明图线①为平衡摩擦力过度造成的。
平衡摩擦力不准造成的误差
02.
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例题3
典例分析
某实验小组利用如图所示的装置探究加速度与力, 质量的关系。
（1）为使砝码桶及桶内砝码的总重力在数值上近似等于木块运动
时受到的拉力，应满足的条件是砝码桶及桶内砝码的总质量________
（选填“远大于”“远小于”或“近似等于”）木块和木块上砝码的总质量。
【参考答案：远小于】
03.
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例题3
典例分析
（2）甲、乙两同学在同一实验室，各取一套装置放在水平桌面上，木块上均不放砝码，在没有平衡摩擦力的情况下，研究加速度a与拉力F的关系，分别得到图中甲、乙两条直线。设甲、乙用的木块质量分别为m甲、m乙，甲、乙用的木块与木板间的动摩擦因数分别为μ甲、μ乙，由图可知，m甲 m乙，μ甲 μ乙。（均选填“＞”“＜”或“=”）
【参考答案：“＜”“＞”】
03.
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例题4
在“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”活动中：
某同学设计了如图a的实验装置简图，A为小车，B为电火花计时器，C为砂桶，D为一端带有定滑轮的长方形木板，实验中认为细绳对小车拉力F等于砂桶和砂的总重量。
典例分析
04.
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例题4
（1）图b是实验中获取的一条纸带的一部分：0、1、2、3、4、5、6、7是计数点，每相邻两计数点间还有4个打点（图中未标出），计数点间的距离如图所示。根据图（b）中数据完成表格中空白处
【参考答案】 0.264
计数点 1 2 3 4 5 6
瞬时速度/（m/s） 0.165 0.215 ____ 0.314 0.364 0.413
典例分析
04.
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例题4
（2）由（1）中的数据在图c中作出速度-时间图像_____并由图像求出小车的加速度a=___________m/s2（保留3位有效数字）
【参考答案】
典例分析
04.
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例题4
（3）在“探究加速度与力的关系”时，保持小车的质量不变，改变砂和砂桶的质量，该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图d，则
①图中的直线不过原点的原因是 。
②图中的力F理论上指___________，
而实验中却用___________表示。（选填字母符号）
A．砂和砂桶的重力 B． 绳对小车的拉力
③此图中直线发生弯曲的原因是 。
平衡摩擦力时木板垫得太高
B
未满足砂和砂桶质量远小于小车的质量
A
典例分析
04.
高中物理必修第一册课件
课堂小结
思路与方法
平衡摩擦力处理数据
创新设计
测量的量
实验过程
探究方法：控制变量法
探究思路：(1)m不变，测a、F；(2)F不变，测a、m；
测质量——天平
测力——弹簧测力计
测加速度——打点计时器
THANKS

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