《课堂设计》高中物理新人教版必修一 4.2实验：探究加速度与力、质量的关系

《课堂设计》高中物理新人教版必修一 4.2实验：探究加速度与力、质量的关系

‎《课堂设计》高中物理新人教版必修一 ‎4.2实验：探究加速度与力、质量的关系 ‎［要点导学］‎ ‎1．实验目的：探究加速度与外力、质量三者的关系。这个探究目的是在以下两个定性研究的基础上建立起来的。‎ ‎（1）小汽车和载重汽车的速度变化量相同时，小汽车用的时间短，说明加速度的大小与物体的质量有关。‎ ‎（2）竞赛用的小汽车与普通小轿车质量相仿，但竞赛用的小车能获得巨大的牵引力，所以速度的变化比普通小轿车快，说明加速度的大小与外力有关。‎ ‎2．实验思路：本实验的基本思路是采用控制变量法。‎ ‎（1）保持物体的质量不变，测量物体在不同外力作用下的加速度，探究加速度与外力的关系。探究的方法采用根据实验数据绘制图象的方法，也可以彩比较的方法，看不同的外力与由此外力产生的加速度的比值有何关系。‎ ‎（2）保持物体所受的力相同，测量不同质量的物体在该力作用下的加速度，探究加速度与力的关系。探究的方法采用根据实验数据绘制图象的方法。‎ ‎3．实验方案：本实验要测量的物理量有质量、加速度和外力。测量质量用天平，需要研究的是怎样测量加速度和外力。‎ ‎（1）测量加速度的方案：采用较多的方案是使用打点计时器，根据连续相等的时间T内的位移之差Δx=aT2求出加速度。条件许可也可以采用气垫导轨和光电门。教材的参考案例效果也比较好。‎ ‎（2）提供并且测量物体所受的外力的方案：由于我们上述测量加速度的方案只能适用于匀变速直线运动，所以我们必须给物体提供一个恒定的外力，并且要测量这个外力。教材的参考案例提供的外力比较容易测量，采用这种方法是不错的选择。‎ ‎4． 对实验结果的分析是本实验的关键。如果根据实验数据描出的a-F图象和 a-1/m图象都非常接近一条通过原点的直线，也只能说我们的实验结果是“在质量不变的条件下，加速度与外力成正比；在外力不变的条件下，加速度与质量成反比。”这一结果决不能说找出了定律，一个定律的发现不可能是几次实验就能得出的。‎ ‎ ‎ ‎［范例精析］‎ 例1 在图4-2-1中，一个乒乓球向运动员飞来，运动员可以用球拍突然改变乒乓球的速度大小和方向。如果换一个排球向运动员飞来，运动员仍然用球拍击球，其结果与击乒乓球有何不同？简述理由。‎ ‎ ‎ 解析 单手用球拍击排球，我们可能没有试过，但是相信单手击排球的经历都会有过。生活经验告诉我们，改变排球的速度大小与方向要比改变乒乓球的速度大小与方向难得多。用乒乓球拍击排球，排球的速度大小和方向都很难控制。原因是排球的惯性比乒乓球大得多。‎ ‎ ‎ 拓展 如果说排球运动员也能自如地控制排球的速度大小和方向，那么排球运动员击球的力量肯定比乒乓球运动员击球的力量大得多。在球类运动中，运动员用多大的力，使球产生多大的加速度；运动员用什么方向的力，使球产生什么方向的加速度，是一个重点研究的问题。‎ 例2用力图4-2-2‎ 所示的实验装置能否探究加速度与质量的关系？能否探究加速度与外力的关系？如果可以请说明操作步骤，如果不可以请简述理由。‎ ‎ ‎ 解析 用此实验装置可以定性地探究加速度与质量的关系，操作步骤如下：把两辆完全相同的小车放在水平地面上，让二个体重不同的同学各站在一个玩具滑板车上，通过手相互对推，测量他们从分手到静止各自位移的值x1 和x2，根据2ax=vt2就可以他们分手时各自的速度v1和v2各是多少，谁的速度大，他获得的加速度就大。由于两位同学和小车所受的外力是相同的，只要测量出小车和两位同学的质量，就能定性比较加速度与质量的关系。如果两人的质量相同，因为相互作用总是相同，只能验证相同质量相同外力时加速度也相同，这是本装置的缺点。‎ ‎ ‎ 拓展 也可以用如图4-2-3所示的斜面和小车做实验研究加速度与外力的关系。选择摩擦阻力很小的小车和长木板（两长木板长度相等）。调整两车同时静止释放的起始位置，使两车在斜面的对接处相遇。如果两车的质量相等，只要测量斜面末端的高度H1 和H2和小车各自的位移，就可以比较质量相同时加速度与外力的关系。这个装置的缺点是不能研究加速度与质量的关系。‎ 例3通过那些方法可以验证a与F的正比关系?经验告诉我们在相同力的作用下，质量m越大，加速度a越小，这可能是“a与m成反比”或“a与m2成反比”等等，有何办法 知道a与m成反比? ‎ ‎ ‎ 解析 ⑴直接验证：①比例法：验证F1/F2=a1/a2 或 F1/a1=F2/a2 ‎ ‎ ‎ ‎ ②图象法：作a—F图象，看其是否为过原点的直线 ‎ ‎ ‎⑵间接验证：根据本实验设计，两车同时运动，同时停止，具有相同的运动时 间，因为x=at2 /2，所以 x1/x2=a1/a2由此可见只要验证x与F的正比关系即可。 ‎ ‎ ‎ 例4图4-2-4是某同学利用教材提供的方案进行实验时，正要打开夹子时的情况。指该 同学的几个错误。‎ ‎ ‎ 解析 ①未平衡摩擦力。②应用交流电源。③拉小车的细线应与木板应平行。④小车 应靠近打点计时器。⑤打点计时器置于木板右边 ‎ ‎ 例5 某学生用图4-2-4所示的装置做实验时，保持小车的质量不变，测得小车的加速 度a和拉力F的数据如下表所示：‎ ‎ ‎ F / N ‎0.20‎ ‎0.30‎ ‎0.40‎ ‎0.50‎ a / ms-2‎ ‎0.10‎ ‎0.21‎ ‎0.29‎ ‎0.40‎ ‎ ‎ ‎ ‎ 根据表中的数据在图4-2-5中作出a-F图线。（1）把图线延长，看看图线是否通过原 点？如果不通过原点，试分析在操作过程中可能遗漏了哪个步骤？（2）这条图线在F 轴上截距有何物理意义？‎ ‎ ‎ 解析 根据表中数据描出的点和作出的图象见图4-2-4，图象并没有通过原点。由图象 可以看出，当F=0.1N时a=0，说明小车受到的摩擦力为0.1N。操作过程中可能遗漏了 平衡摩擦力这一步骤。‎ ‎ ‎ 拓展 如果测出的图象在纵轴上的截距大于零，则说明F=0时a>0，产生的原因可能是平衡摩擦力时木板倾斜角过大。‎ ‎ ‎ ‎［能力训练］‎ ‎1． 外力是使物体产生_____________的原因．物体运动状态发生改变时，物体一定具有___________，物体一定受到____________的作用．‎ ‎　　加速度、加速度、外力 ‎2． 质量一定时物体的加速度与它所受的外力成 ；外力一定时加速度与物体的质量成 。‎ ‎　　正比，反比 ‎3． 某两个同学用图4-2-6所示的装置（图中A为小车，B为带滑轮的长木板，C为水平桌面），分别在《探究加速度与外力间的关系》实验中，各自得到的图象如图4-2-6中甲和乙所示，则出现此种现象的原因甲是 ，乙是 ．‎ ‎　　平衡摩擦力时，木板倾角过大；平衡摩擦力时，木板倾角太小 ‎4． 在保持质量不变时加速度与物体受力间关系的实验中（使用图4-2-7所示的装置），小车质量M和砝码质量m分别选取下列四组值．‎ A．M=500g，m分别为50g、70g、100g、125g B．M=500g，m分别为20g、30g、40g、50g C．M=200g，m分别为50g、75g、100g、125g D．M=200g，m分别为30g、40g、50g、60g 若其它操作都正确，那么在选用 组值测量时所画出的图线较准确．在选用此组值，m取 g时实验误差较大．‎ ‎　　B 50‎ ‎5． a、b、c、d四位同学在做《验证牛顿第二定律》的实验（使用图4-2-6所示的装置），设小车质量和车上砝码质量之和为M，砂及砂桶的总质量为m，分别得出如图4-2-7中a、b、c、d四条图线，其中图a、b、c是a—F图线，图d是a—1/M图线，则以下列说法中正确的是： （ ACD ）‎ A．a和b较好地把握了实验条件M远大于m B．c和d则没有把握好实验条件M远大于m C．a同学长木板的倾角太小，而b同学长木板倾角太大 D．a、b、c三同学中，c同学较好地完成了平衡摩擦力的操作 ‎6．关于力和运动的关系,下列说法中正确的是( A ) ‎ A.物体的速度不断增大,表示物体必受力的作用 B.物体的位移不断增大,表示物体必受力的作用 C.物体朝什么方向运动,则这个方向上物体必受力的作用 D.物体的速度大小不变,则其所受的合力必为零 ‎ ‎ ‎7．物体速度改变有几种情况?在每种情况下，合外力对物体作用的效果如何?‎ ‎ 　物体速度改变指速度的大小或方向或大小和方向的改变台外力不为零时,可改变物体运动的速度,使物体产生加速度 ‎ ‎ ‎8． 某次实验用打点计时器交流电的频率为50Hz，纸带的记录如图4-2-9所示（使用图4-2-3所示的装置）,图中前几个点模糊,因此从A点开始每打五个点取一个计数点,其中B、C、D、E 点的对应速度vB=_____m/s, vC=_____m/s, vD=_____m/s, vE=_____m/s,由此测得小车的加速度是多大？‎ ‎　　0.253m/s 0.328m/s 0.403m/s 0.478m/s 0.75m/s2‎ ‎9．某同学在做“当外力一定时，加速度和质量的关系”的实验时，得到下表中的实验数据：‎ ‎（1）请使用a-1/m图象来处理这些数据，并说明为什么不用a-m图象来处理数据。‎ ‎（2）根据作出的图象，可以得到的结论是小车的加速度与它的 ．‎ ‎ 图略，质量成反比 ‎10．如图4-2-10所示是甲、乙两个物体运动的v-t图象,根据图象回答：（1）哪个物体加速度大?（2）哪个物体速度变化快?（3）如果它们受到的力相等，那么哪个物体的惯性大?（4）如果它们的质量相等，那么哪个物体所受力大?‎ ‎ （1）甲大（2）甲快（3）乙大（4）甲大(:单位时间内速度变化较快,即物体的加速度较大在受到相等的力的作用下,速度变化越快的物体,运动状态容易改变,即惯性小所以乙物体的惯性大质量相等的物体,运动状态改变越容易,说明受到外力越大由于甲运动状态较容易改变,所以甲受到的外力较大)‎