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2013届高考一轮物理复习课件(人教版):第三章第6节 实验 探究加速度与力、质量的关系


高考调研

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第三章

牛顿运动定律

第三章 牛顿运动定律

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第6节 实验

探究加速度与力、质量的关系

第三章

6节

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一、实验目的 1.学会用控制变量法研究物理规律. 2.验证牛顿第二定律. 3.掌握利用图像处理数据的方法.

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二、实验原理 1.探究加速度 a 与力 F 及质量 M 的关系时,应用 的基本方法是控制变量法,即先控制一个参量——小车 的质量 M 不变,讨论加速度 a 与力 F 的关系,再控制砝 码和小盘的质量不变,即力 F 不变,改变小车质量 M, 讨论加速度 a 与 M 的关系.

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2.实验中需要测量的物理量和测量方法是:小车及 砝码的总质量 M;用天平测出. 小车受到的拉力 F 认为等于托盘和砝码的总重力 mg. 小车的加速度 a 利用纸带根据 Δx=aT2 计算.

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三、实验器材 打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定 滑轮的长木板、小盘、砝码、夹子、细绳、低压交流电 源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺、坐标纸.

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四、实验步骤 1.用天平测出小车和小盘的质量 M 和 M′,把数 值记录下来. 2.按照如下图所示装置把实验器材安装好,只是不 把悬挂小盘的细线系在小车上(即不给小车加牵引力).

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3.平衡摩擦力:在长木板的不带定滑轮的一端下面 垫上一块薄木块,反复移动木板的位置,直至小车在斜 面上运动时可以保持匀速运动状态,这时小车拖着纸带 运动时受到的摩擦力恰好与小车所受重力在斜面方向上 的分力平衡. 4.把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘,先接通 电源再放开小车,打点计时器在纸带上打下一系列的 点.打点完成后切断电源,取下纸带,在纸带上标上纸 带号码.
第三章 第6节

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5.保持小车及车内砝码的质量不变,在小盘内放入 质量为 m′的砝码,重复步骤 4.在小盘内分别放入质量 为 m″,m???的砝码,再重复步骤 4.m′,m″, m???的数值都要记录在纸带上(或表格内). 6.在每条纸带上都选取一段比较理想的部分,标明 计数点,测量计数点间的距离,算出每条纸带上的加速 度的值.

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7.用纵坐标表示加速度,横坐标表示力,根据实验 结果在坐标平面上画出相应的点.若这些点在一条直线 上,便证明了加速度与作用力成正比. 8.保持砝码和小盘的质量不变,在小车上依次加砝 码(也需作好记录),重复上述步骤,用纵坐标表示加速度 a,横坐标表示小车砝码总质量的倒数,在坐标平面上根 据实验结果画出相应的点,如果这些点是在一条直线上, 就证明加速度与质量成反比.

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五、数据处理 1.把小车在不同力作用下产生的加速度填在下表中 实验次数 加速度 a/(m·-2) 小车受力 F/N s 1 2 3 4

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由以上数据画出它的 a-F 关系图像如图所示. 通过 a-F 关系图像,我们可以得出小车的加速度 a 与力 F 成正比.

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2.把不同质量的小车在相同力作用下产生的加速度 填在下表中:

实验次数 加速度 a/(m· 2) 小车质量 M/kg s 1 2 3 4



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1 由以上数据画出它的 a-M图像,如图所示.

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六、误差分析

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1.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,拉线或纸带不与木板平行等都会造成误 差. 2.因实验原理不完善造成误差. 本实验中用小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉 力(实际上小车受到的拉力要小于小盘和砝码的总重力), 存在系统误差.

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小盘和砝码的总质量越接近小车的质量,误差就越 大;反之,小盘和砝码的总质量越小于小车的质量,误 差就越小. 3.平衡摩擦力不准造成误差. 在平衡摩擦力时,除了不挂小盘外;其他的都跟正 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点的距离相等.

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【重点提示】 车的拉力,因为: 对车:FT=Ma.

小盘及砝码的重力并不等于绳对小

对小盘及砝码:mg-FT=ma. mg 联立解得 FT= m. 1+M

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m 可见,欲使 FT≈mg,则必有M→0,故有 m?M 为 条件.实验操作中一般保持 M>20m,否则,系统误差较 大.

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七、注意事项 1.一定要做好平衡摩擦力的工作,也就是调出一个 合适的斜面,使小车的重力沿着斜面方向的分力正好平 衡小车受的摩擦阻力.在平衡摩擦力时,不要把悬挂小 盘的细线系在小车上,即不要给小车加任何牵引力,并 要让小车拖着打点的纸带运动.

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2.实验步骤 2、3 不需要重复,即整个实验平衡了 摩擦力后,不管以后是改变小盘和砝码的总质量还是改 变小车和砝码的总质量,都不需要重新平衡摩擦力. 3.每条纸带必须在满足小车与车上所加砝码的总质 量远大于小盘和砝码的总质量的条件下打出.只有如此, 小盘和砝码的总重力才可视为小车受到的拉力.

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4.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,并应先接通电源,再放开小车,且应 在小车到达滑轮前按住小车. 5. 作图像时, 要使尽可能多的点分布在所作直线上, 不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧. 6.作图时两轴标度比例要选择适当,各量须采用国 际单位,这样作图线时,坐标点间距不至于过密,误差 会小些.

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一、实验原理及操作 例1

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在探究加速度与物体所受合外力和质量间的关系 时,采用如上图所示的实验装置,小车及车中的砝码质 量用 M 表示,盘及盘中的砝码质量用 m 表示,小车的加 速度可由小车后拖动的纸带由打点计时器打上的点计算 出: (1)当 M 与 m 的大小关系满足________时, 才可以认 为绳子对小车的拉力大小等于盘和砝码的重力.

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(2)一组同学在先保持盘及盘中的砝码质量一定,探 究加速度与质量的关系,以下做法错误的是( )

A.平衡摩擦力时,应将盘及盘中的砝码用细绳通过 定滑轮系在小车上 B.每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力 C.实验时,先放开小车,再接通打点计时器电源 D.小车运动的加速度可用天平测出 m 以及小车质 量 M,直接用公式 a=mg/M 求出

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(3)在保持小车及车中的砝码质量 M 一定,探究加速 度与所受合外力的关系时,由于平衡摩擦力时操作不当, 二位同学得到的 a-F 关系,分别如上图甲、乙所示(a 是 小车的加速度、F 是细线作用于小车的拉力),其原因分 别是:________.

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________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________

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【解析】

(1)在“探究加速度与力、质量的关系”

实验中,为了减小系统误差,必须满足 m?M,才可以认 为绳子对小车的拉力大小等于盘和砝码的重力.

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(2)平衡摩擦力时,不能将盘及盘中的砝码用细绳通 过定滑轮系在小车上,每次改变小车的质量时,不需要 重新平衡摩擦力,实验时,先接通打点计时器电源,再 放开小车,小车运动的加速度应由打点计时器打出的纸 带求出,选项 A、C、D 错误. (3)甲图当外力 F 为零时,小车就有加速度了,是因 为平衡摩擦力时,长木板的倾角过大了,乙图中对应一 段外力 F 后才有加速度,是因为没有平衡摩擦力或木板 的倾角过小.
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二、数据处理与实验结论的得出 例 2 某学习小组的同学在用打点计时器探究物体

的加速度与物体的质量之间的关系实验中,不改变拉力, 只改变物体的质量,得到了如下表所示的几组数据,其 中第 3 组数据还未算出加速度,但对应该组已打出了纸 带, 如图甲所示, 图中各点为每 5 个打点选出的计数点(两 计数点间还有 4 个打点未标出).

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实验次数 小车质量(g) 小车加速度 (m/s ) 小车质量的 倒数(kg )
-1

1 200

2 300

3 400

4 500

5 600

6 700

2

2.00 1.33

0.79 0.67 0.40

5.00 3.33 2.50 2.00 1.67 1.00

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(1)请由纸带上的数据,计算出缺少的加速度值并填 入表中(小数点后保留两位数). (2)请在图乙中建立合适的坐标,将表中各组数据用 小黑点描在坐标纸上,并作出平滑的图线.

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(3)由图像得出的结论是:______________________ ________________________________________________.

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________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________

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【解析】 加速度

(1)由纸带提供的数据,利用逐差法求得

OF-OC-OC 0.209 8-0.060 3-0.060 3 a= = m/s2 2 2 9T 9×0.1 =0.99 m/s2

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(2)

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(3)物体的加速度跟它的质量的倒数成正比,即与质 量成反比.
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三、创新实验 跟踪训练 (2011· 太原模拟)“探究加速度与力、 质量

的关系”实验的原理如图所示.

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(1)实验所需的器材有:附有定滑轮的长木板、打点 计时器、纸带和复写纸、低压学生电源、小车、砝码、 小桶、砂子、细绳、________和________.

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(2)下列说法中正确的是________.

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A.平衡摩擦力时,要用细绳把装砂的小桶通过定滑 轮拴在小车上 B.平衡摩擦力后,如果改变了小车上砝码的数量, 应重新平衡摩擦力 C.要将小桶和砂子的总重力 mg 当做小车(质量为 M)受到的细绳拉力,必须使 M?m D.实验时应先接通电源再释放小车

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(3)某学生保持小车及砝码的质量不变,测得 5 组小 车加速度 a 和拉力 F 的数据如下表所示,请你根据表中 的数据在坐标纸上作出 a-F 图线.

F(N) a(m/s2)

0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.10 0.21 0.29 0.32 0.49

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①该图线没有通过坐标原点的原因可能是________ ________________________________________________. ②该图线的斜率所表示的意义是_______________ ________________________________________________.

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【解析】

(1)测量长度时要用刻度尺,要知道小桶

及砂子的质量,需要用天平.(2)平衡摩擦力以后,在后 面的实验过程中,不需要再平衡摩擦力.要使小桶和砂 子的总重力 mg 当做小车的拉力,应满足小车的质量 M 远远大于 m.要能获得较多的纸带上的点,应先接通电源 后释放小车.(3)a-F 图像如图所示.①图像不过坐标原

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点的原因是实验前没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不 够.②由牛顿第二定律知 mg=Ma[或 mg=(M+m)a], mg mg 1 得 a= M 或 a= ,易知,a-F 图线的斜率为M或 M+m 1 . M+m

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【答案】

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(1)刻度尺 (2)CD

天平(带有一套砝码)

(3)a-F 图线如上图所示

①没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不够 ②小桶质量 m(包括砂子质量)与小车质量 M 之和的 1 1 倒数 或小车质量 M 的倒数M(两种结果写出任意一 M+m 种均可)

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