高考物理一轮总复习 第四章 第11讲 实验探究 加速度与物体质量物体受力的关系教案 新人教版必修1.docx
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高考物理一轮总复习第四章第11讲实验探究加速度与物体质量物体受力的关系教案新人教版必修1
第11讲 实验、探究:
加速度与物体质量、物体受力的关系
考情剖析
(注:
①考纲要求及变化中Ⅰ代表了解和认识,Ⅱ代表理解和应用;②命题难度中的A代表容易,B代表中等,C代表难)
考查内容
考纲要求
及变化
考查年份
考查形式
考查详情
考试层级
命题难度
加速度与物
体质量、物
体受力的关
系(实验、
探究)
Ⅱ
09年
实验
考查“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”实验中实验数据的处理和实验误差的分析
10年
实验
考查“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”实验中实验步骤的注意事项、实验数据的处理和实验误差的分析
次重点
B
小结
及
预测
1.小结:
此知识点侧重考查应用图象法处理实验数据和分析实验误差.
2.预测:
在09、10年都有所考查,11、12年未考查,预测14年考查的可能性较大.
3.复习建议:
复习时应该掌握实验数据的处理方法和实验误差的分析方法.
知识整合
一、实验目的
1.学会用控制变量法研究物理规律;
2.学会怎样由实验结果得出结论;
3.探究加速度与力、质量的关系:
(1)质量一定时,加速度与作用力__________.
(2)作用力一定时,加速度与质量__________.
二、实验原理
1.采用__________:
当研究对象有两个以上的参量发生牵连变化时,我们设法控制某些参量使之不变,而研究其中两个参量之间的变化关系的方法,是物理实验中经常采取的一种方法,本实验有F,m,a三个参量,研究加速度a与F及m的关系时.我们先控制一个参量.该实验要求先控制小车的质量m不变、讨论a与F的关系,再控制小盘和砝码的质量不变,即F不变,改变小车的质量m,讨论a与m的关系.
2.要测量的物理量
小车与小车上砝码的总质量M——天平
小车受的拉力F——用天平测出小盘和砝码的质量m,F≈mg算出
小车的加速度a——通过打点计时器打出的纸带测算出.
三、实验误差来源与分析
1.因实验原理不完善引起的误差.本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力,而实际小车所受的拉力要______小盘和砝码的总重力.小盘和砝码的总质量越接近小车和砝码的总质量,误差越大.
2.摩擦力平衡不准;质量测量不准;记数点间距测量不准;纸带拉线不严格与木板平行.
实验数据的处理方法——图象法、化曲为直的方法:
1.探究加速度与力的关系
以加速度a为纵坐标,以F为横坐标,根据测量的数据描点,然后作出图象,看图象是否是通过原点的直线,就能判断a与F是否成正比.
2.探究加速度与质量的关系
以a为纵坐标、m为横坐标,根据各组数据在坐标系中描点,将会得到如图甲所示的一条曲线.由图线只能看出m增大时a减小,但a与m具体是什么关系,不能得出.若以a为纵坐标,
为横坐标,将会得到如图乙所示的一条过原点的倾斜直线,据此可判断a与m成反比.
甲
乙
3.方法总结
利用图象处理数据是物理实验中常用的重要方法.在实验中如果发现一个变量x与另一个变量y成反比,那么,x就应与
成正比.因为在处理数据时,判断正比例函数图象比判断一条曲线是否为反比例函数图象要简单和直观得多,所以可以将反比例函数的曲线转化为正比例函数的直线进行处理.
1.实验中易错步骤
(1)整个实验平衡了摩擦力后,不管以后是改变小盘和砝码的质量还是改变小车及砝码的质量,都不需要重新平衡摩擦力.平衡摩擦力是指小车所受动力(重力沿斜面分力)与小车所受阻力(包括小车所受摩擦力和打点计时器对小车后所拖纸带的摩擦力)大小相等.实验中,应在小车后拖上纸带,先接通电源,再用手给小车一个初速度.若在纸带上打出的点的间隔基本上均匀,才表明平衡了摩擦力,否则必须重新调整小木板的位置;
(2)平衡摩擦力后,必须满足小车及所加砝码的质量远大于小盘和砝码的总质量的条件下进行,只有如此,小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力;
(3)改变拉力和小车质量后,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),并应先接通电源,再放开小车,且在小车到达滑轮前应按住小车;
(4)各纸带上的加速度a,都应是该纸带上的平均加速度;
(5)作图象时,要使尽可能多的点在落所作直线上,不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧.
2.实验误差
(1)因实验原理不完善引起的误差
以小车、小盘和砝码整体为研究对象得mg=(M+m)a;以小车为研究对象得F=Ma;求得
F=
·mg=
·mg 本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力,而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力.小盘和砝码的总质量越小于小车的质量,由此引起的误差就越小.因此,满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量的目的就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差; (2)摩擦力平衡不准确造成误差,在平衡摩擦力时,除了不挂小盘外,其他的均与正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器),匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各相邻两点间的距离相等; (3)质量的测量误差、纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差、细绳或纸带不与木板平行等都会引起误差. 【典型例题】(13年江苏模拟)如图甲所示是某同学设计的“探究加速度a与力F、质量m的关系”的实验装置图,实验中认为细绳对小车拉力F等于砂和砂桶总重力,小车运动加速度a可由纸带求得. 甲 (1)该同学对于该实验的认识,下列说法中正确的是( ) A.该实验应用了等效替代的思想方法 B.该实验应用了控制变量的思想方法 C.实验时必须先接通电源后释放小车 D.实验中认为细绳对小车拉力F等于砂和砂桶总重力,其前提必须保证砂和砂桶总质量远远大于小车的质量 (2)如图乙所示是该同学在某次实验中利用打点计时器打出的一条纸带,A、B、C、D、E、F是该同学在纸带上选取的六个计数点,其中计数点间还有若干个点未标出,设相邻两个计数点间的时间间隔为T.该同学用刻度尺测出AC间的距离为s1,BD间的距离为s2,则打B点时小车运动的速度vB=________,小车运动的加速度a=________. 乙 (3)某实验小组在实验时保持砂和砂桶质量不变,改变小车质量m,分别得到小车加速度a与质量m及对应的 数据如表中所示.根据表中数据,在图丙坐标纸中作出F不变时a与 的图像. 丙 次数 1 2 3 4 5 6 小车加速度 a/m·s-2 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 小车质量m/kg 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 /kg-1 3.50 3.00 2.50 2.00 1.40 1.00 温馨提示 由运动学公式可推a= ,由牛顿第二定律a= 可知a与 成正比. 记录空间 【变式训练】 (1)我们已经知道,物体的加速度a同时跟合外力F和质量M两个因素有关.要研究这三个物理量之间的定量关系的思想方法是__________. (2)某同学的实验方案如图所示,她想用砂桶的重力表示小车受到的合外力F,为了减少这种做法而带来的实验误差,她先做了两方面的调整措施: a: 用小木块将长木板无滑轮的一端垫高,目的是________________________________________________________________________ __________; b: 使砂桶的质量远小于小车的质量,目的是使拉小车的力近似等于__________. (3)该同学利用实验中打出的纸带求加速度时,处理方案有两种: A.利用公式a= 计算;B.利用逐差法a= 计算. 两种方案中,你认为选择方案__________比较合理. (4)该同学在“保持小车质量M不变,探究a与F的关系”时记录了实验数据,且已将数据在下面的坐标系中描点,做出a-F图象;由图线求出小车的质量等于__________kg(保留两位有效数字). 随堂演练 1.(12年江苏模拟)如图所示为“探究加速度与物体受力与质量的关系”实验装置图.图甲中A为小车,B为装有砝码的小桶,C为一端带有定滑轮的长木板,小车通过纸带与电火花打点计时器相连,计时器接50Hz交流电.小车的质量为m1,小桶(及砝码)的质量为m2. 第1题图甲 第1题图乙 (1)下列说法正确的是________. A.每次改变小车质量时,应重新平衡摩擦力 B.实验时应先释放小车后接通电源 C.本实验m2应远大于m1 D.在用图象探究加速度与质量关系时,应作a— 图象 (2)实验时,某同学由于疏忽,遗漏了平衡摩擦力这一步骤,他测量得到的a-F图象,可能是图乙中的图线________.(选填“甲”、“乙”、“丙”) 第1题图丙 (3)如图丙所示为某次实验得到的纸带,纸带中相邻计数点间的距离已标出,相邻计数点间还有四个点没有画出.由此可求得小车的加速度大小________m/s2.(结果保留二位有效数字) 2.在做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时,计算出各纸带的加速度后,将测得的加速度a和力F的有关数据记录在表1中,将测得的反映加速度a和质量m的数据列在表2中. 表1 a/(m/s2) 1.98 4.06 5.95 8.12 F/N 1.00 2.00 3.00 4.00 表2 a/(m/s2) 2.04 2.66 3.23 3.98 1/m(kg-1) 0.50 0.67 0.80 1.00 (1)根据表中所列数据,在下图中分别画出aF图象和 a 图象. (2)从图象可以判定: 当m一定时,a与F的关系为__________;当F一定时,a与m的关系为__________. 第2题图 3.在探究加速度与力、质量的关系实验中,采用如图甲所示的实验装置,小车及车中砝码的质量用M表示,盘及盘中砝码的质量用m表示,小车的加速度可由小车拖动的纸带打上的点计算出. 第3题图甲 (1)当M与m的大小关系满足________时,才可以认为绳对小车的拉力大小等于盘及盘中砝码的重力. (2)一组同学在做加速度与质量的关系实验时,保持盘及盘中砝码的质量一定,改变小车及车中砝码的质量,测出相应的加速度,采用图象法处理数据.为了比较容易地观测加速度a与质量M的关系,应该做a与________的图象. (3)乙、丙同学用同一装置做实验,画出了各自得到的a 图线如图乙所示,两个同学做实验时的哪一个物理量取值不同? 第3题图乙 4.某组同学设计了“探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系”实验.图甲为实验装置简图,A为小车,B为电火花计时器,C为装有细砂的小桶,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的拉力F等于细砂和小桶的总质量,小车运动的加速度a可用纸带上打出的点求得. 甲 (1)图乙为某次实验得到的纸带,已知实验所用电源的频率为50Hz.根据纸带可求出电火花计时器打B点时的速度为________m/s,小车的加速度大小为________m/s2.(结果均保留两位有效数字) 乙 (2)在“探究加速度a与质量m的关系”时,某同学按照自己的方案将实验数据在坐标系中进行了标注,但尚未完成图象(如图丙所示).请继续帮助该同学作出坐标系中的图像. 丙 (3)在“探究加速度a与合力F的关系”时,该同学根据实验数据作出了加速度a与合力F的图线如图丁,该图线不通过坐标原点,试分析图线不通过坐标原点的原因. 答: ________________________________________________________________________ 丁 第4题图 第11讲 实验、探究: 加速度与 物体质量、物体受力的关系 知识整合 基础自测 一、 3. (1)成正比 (2)成反比 二、 1.控制变量法 三、 1.小于 重点阐述 【典型例题】(13年江苏模拟)如图甲所示是某同学设计的“探究加速度a与力F、质量m的关系”的实验装置图,实验中认为细绳对小车拉力F等于砂和砂桶总重力,小车运动加速度a可由纸带求得. 甲 (1)该同学对于该实验的认识,下列说法中正确的是( ) A.该实验应用了等效替代的思想方法 B.该实验应用了控制变量的思想方法 C.实验时必须先接通电源后释放小车 D.实验中认为细绳对小车拉力F等于砂和砂桶总重力,其前提必须保证砂和砂桶总质量远远大于小车的质量 (2)如图乙所示是该同学在某次实验中利用打点计时器打出的一条纸带,A、B、C、D、E、F是该同学在纸带上选取的六个计数点,其中计数点间还有若干个点未标出,设相邻两个计数点间的时间间隔为T.该同学用刻度尺测出AC间的距离为s1,BD间的距离为s2,则打B点时小车运动的速度vB=________,小车运动的加速度a=________. 乙 (3)某实验小组在实验时保持砂和砂桶质量不变,改变小车质量m,分别得到小车加速度a与质量m及对应的 数据如表中所示.根据表中数据,在图丙坐标纸中作出F不变时a与 的图像. 丙 次数 1 2 3 4 5 6 小车加速度 a/m·s-2 1.72 1.49 1.25 1.00 0.75 0.50 小车质量m/kg 0.29 0.33 0.40 0.50 0.71 1.00 /kg-1 3.50 3.00 2.50 2.00 1.40 1.00 【答案】 (1)BC (2) (3)如图所示 【解析】 (1)该实验用的是控制变量法,故A错,B对;先开通电源才能确定起始点,故C对;若认为拉力F为小桶和沙的重量,则要求小桶和沙的质量远远小于小车,D错;故选BC; (2)由运动学公式可知: vB=v-= ,由a= 得出a= ;(3)由F=ma可推出a= =F× ,所以当F不变时,a与 成正比例函数,如图所示. 变式训练 (1)控制变量法(或先保持M不变,研究a与F的关系;再保持F不变,研究a与M的关系) (2)a.平衡摩擦力 b.砂桶的重力 (3)B (4)0.49~0.50kg 【解析】 (1)研究多变量间的关系,只能两两研究关系,称之为控制变量法; (2)a.平衡摩擦力,使得小车受力简单;b.小车实受拉力FT= M,在利用砂桶和砂的重力代替小车受到的拉力时,只有mM才能减小重力和拉力的偏差,使小车所受拉力近似等于砂和砂桶的重力.(3)方法B较合理,它不需要准确的确定小车已经运动的总时间,实验简单、准确易行.(4)对实验中小车和砂桶受力分析,并列牛顿第二定律方程可知小车加速度a= ,在m≤M情况下,a= ,结合用mg代替F,可知图线斜率是小车质量的倒数,利用图线上的(0.1,0.3),(0.5,1.1)两点,有 =k= =2,得小车质量M=0.5kg. 随堂演练 1. (1)D (2)丙 (3)0.49或0.50 【解析】 (1)由实验中的注意事项及F=ma可知D正确. (2)考查实验误差对实验数据的影响,由于未平衡摩擦力,故可判断图线丙正确.(3)由Δs=aT2,可计算a=0.49m/s2或a=0.50m/s2. 2. (1)如图所示: 第2题图 (2)由图象可知,aF图象为过原点的直线,所以a∝F,即a与F成正比关系 a- 图象也为过原点的直线,所以a∝ ,即a与m成反比关系. 3. (1)Mm (2) (3)拉力F 【解析】 (1)只有M与m满足Mm才能使绳对小车的拉力近似等于盘及盘中砝码的重力 (2)由于a∝ ,所以a- 图象应是一条过原点的直线,所以数据处理时,常作出a与 的图象 (3)两小车及车上的砝码的总质量相等时,由图象知乙的加速度大,故乙的拉力F大(或乙的盘及盘中砝码的质量大) 4. (1)1.6 3.2 (2)见解析 (3)实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 【解析】 (1)AC这段位移的平均速度等于AC这段时间中间时刻的瞬时速度,即B点的瞬时速度,故vB= = m/s=1.6m/s.由逐差法求解小车的加速度a= = m/s2=3.2m/s2 (2)将坐标系中各点连成一条直线,连接时应使直线过尽可能多的点,不在直线上的点应大致对称地分布在直线的两侧,离直线较远的点应视为错误数据,不予考虑,连线如图所示.(3)图线与横轴有截距,说明实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够. 第4题图
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