高中物理人教版 (2019)必修 第一册2 实验：探究加速度与力、质量的关系教案

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知识回顾

1．牛顿第一定律的内容是什么？

教师总结并强调：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。

2．惯性与质量的关系是什么？

教师总结并强调：

质量是惯性大小的唯一量度，质量越大惯性越大。

可见力是改变物体运动状态的原因，质量大的物体运动状态不容易改变。所以加速度与力、质量之间必然存在一定的关系。

下面我们通过实验分别从两方面来探究加速度与力、质量之间的定量关系：

①加速度与力的关系；②加速度与质量的关系。

学生回答：1．牛顿第一定律的内容和惯性与质量的关系

为了说明加速度与力、质量之间的定量关系做铺垫，明白本节所要研究的内容。

讲授新课

一、实验：探究加速度与力、质量的关系

1．实验目的：:定量分析a、F、m的关系。

2．实验方法：控制变量法

例如：在研究某个物理量y与另外两变量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x1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。

3．实验思路

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。

出示图片

（1）加速度与力的关系

保持物体的质量不变，测量不同力下的加速度，分析加速度与力的关系。

（2）加速度与质量的关系

保持物体受力不变，测量不同质量下的加速度，分析加速度与质量的关系。

出示动画：探究加速度与力、质量的关系

4．物理量的测量

本实验需要测量的物理量有三个：物体的质量m、物体所受的作用力F和物体运动的加速度a。

（1）质量的测量

质量可以用天平测量。为了改变小车的质量，可以在小车中增减砝码的数量。

（2）加速度的测量

①方法1：小车做初速度为0的匀加速直线运动，直接测量小车移动的位移x和发生这段位移所用的时间t，a=2x/t2计算出加速度a。

②方法2：将打点计时器的纸带连在小车上，根据纸带上打出的点来测量加速度。

③方法3：让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等，那么由a=2x/t2可知，它们的位移之比就等于加速度之比，即：

这样，测量加速度就转换成测量位移了。

（2）力的测量

现实中，仅受一个力作用的物体几乎不存在，所以实验中作用力F的含义是物体所受的合力。

那么，如何测小车所受合外力F合？

我们通过下面具体实验来说明。

二、实验设计

实验设计1：用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系

1．实验器材：小车、打点计时器、纸带、一端带滑轮的长木板、细线、砝码、钩码、刻度尺、天平。

2．实验步骤

（1）用天平测出小车的质量；

（2）按图装好实验器材，平衡摩擦力。

（3）控制小车质量不变，用细线将钩码与小车相连，打开打点计时器，释放小车，测出一组数据。

（4）保持小车上的砝码个数不变，改变钩码质量，并测量得F（钩码质量远小于小车质量），多测几组数据。

注意：只有在钩码质量远小于小车质量时，线的拉力近似等于钩码的重力。

（5）控制钩码质量不变，改变小车质量，再测几组数据填入表中。

（6）分析每条纸带，测量并计算出加速度的值；

（7）作a－F关系图象，并由图象确定a－F关系。

思考讨论：怎样平衡小车的摩擦力？

在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木板，反复移动薄木板的位置，直至小车在斜面上运动时以保持匀速运动状态，这样小车所受合力为零，平衡了小车的摩擦力。

小车受到的摩擦力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡。

4．进行实验

表1：小车质量一定

思考：如何更直观地处理数据？

以a为纵坐标、F为横坐标建立直角坐标系。根据各组实验数据在坐标纸上描点，观察图像。

这些点在一条过原点的直线附近，说明加速度a与拉力F成正比。

表2：小车所受的拉力一定

在相同拉力作用下，质量m越大，加速度a越小。

我们很难直观看出图线是否为双曲线，那么，怎样判断a与m成不成反比呢？

如果a-m图像是双曲线，a与m成反比，也就是a与1/m成正比。

如图的图线为过原点的直线，所以在相同拉力作用下a与1/m成正比，即：a与m成反比

注意事项

1．实验中应先接通电源后释放小车．

2．在平衡摩擦力时不要悬挂任何物体。

3．改变钩码的质量过程中，要始终保证钩码质量远小于小车质量时，线的拉力近似等于钩码的重力。

4．作图时应使所作的直线通过尽可能多的点，不在直线上的点也要尽可能的分布在直线的两侧，但若遇到个别偏离较远的点可舍去。

实验设计2：通过位移之比测量加速度之比

1．实验器材：两辆相同的小车、一端带滑轮的长木板、细线、小盘、夹子、不同的重物。

出示图片

2．实验步骤

（1）将两辆相同的小车放在水平木板上，前端各系一条细线，线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘中可以放不同的重物。

（2）把木板一端垫高，平衡摩擦力。

（3）控制小车质量不变，在两个小盘中放不同的重物，两小车后端各系一条细线，用夹子控制小车的动与停。

（4）用刻度尺测出两小车移动的位移x1、x2。由于两小车运动时间t相同，从它们的位移之比就可以得出加速度之比。

控制m不变，探究a与F的关系

（5）在盘中重物相同的情况下，通过增减小车中的重物改变小车的质量。

（6）作x2/x1与F2/F1关系图象，并由图象确定它们的关系。

小车质量一定

实验结论：当小车的质量不变时，小车的加速度与拉力的关系是：在误差允许的范围内，小车的加速度与拉力成正比；同理通过实验也可得出：在相同拉力作用下a与1/m成正比，即：a与m成反比。

科学方法：控制变量

控制变量的方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。

本节在探究加速度与力、质量之间的关系时，就采用了控制变量的方法，它是科学研究中常用的一种方法。

课堂练习

1．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，备有下列器材:

A．电火花计时器；B．天平；C．停表；D．交流电源；E．电池；F．纸带；G．细绳、砝码、滑块；H．气垫导轨（一端带定滑轮）；I．毫米刻度尺；J．小型气泵。

（1）实验中应选用的器材有————————————————————————；

实验的研究对象是——————————————————。

（2）本实验分两大步骤进行：①————————————————————

②——————————————————————。

答案：（1）A、B、D、F、G、H、I、J

放在气垫导轨上的滑块

（2）①研究a与F的关系（m一定）

②研究a与m的关系（F一定）

2．某小组利用如图所示的实验装置做“探究加速度与力、物体质量关系”的实验。实验中平衡摩擦力后，他们还调节木板上定滑轮，使牵引小车的细线与木板平行，这样做的目的（    ）

A．避免小车在运动过程中发生抖动

B．使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰

C．保证小车最终能够做匀速直线运动

D．使细线拉力等于小车受到的合力

答案：D

3．实验探究加速度与力、质量的定量关系，下列认识正确的是（    ）

A．F、m和a三个物理量都有直接测量的工具；

B．实验时为消除摩擦力对小车运动的影响，要将木板无滑轮的一端垫高，直到小车不挂重物时也能自己沿长木板运动起来；

C．实验时重物通过细绳拉小车的力要比重物的重力小；

D．根据实验数据，得到的F不变时的a-m图象是过原点的倾斜直线。

答案：C

4．在研究物体的“加速度、作用力和质量”三个物理量的关系时，我们用实验研究了小车“在质量一定的情况下，加速度和作用力的关系”；又研究了“在作用力一定的情况下，加速度和质量之间的关系”．这种研究物理问题的科学方法是（    ）

A．建立理想模型的方法

B．控制变量法

C．等效替代法

D．类比法

答案：B

1．“探究加速度与力、质量的关系”实验装置如图所示，为研究加速度a与力F之间的关系，下列说法正确的是（    ）

A．需保持盘和砝码质量不变；

B．需保持小车质量不变；

C．盘和砝码的重力一定与小车受到的拉力大小相等

D．处理数据时，作出a−1/F图象能直观判断a与F之间的关系。

答案：B

2．在实验“探究加速度与质量的关系时”，下列说法中正确的是（    ）

A．应改变拉力的大小；

B．每次改变小车质量时，必须重新平衡摩擦力；

C．为了直观判断二者之间的关系，应作出a-1/m图象；

D．平衡摩擦力时，应将重物用细线通过定滑轮系在小车上。

答案：C

学生阅读课文说出实验目的、实验思路、实验方法。

学生观看动画

阅读课文理解掌握实验中需要测量哪些物理量

阅读课文掌握加速度的测量的方法

观察图片在理解的基础上说出实验器材

根据实验步骤进行实验操作

学生思考讨论：怎样平衡小车的摩擦力？

学生记录实验数据作图并总结实验结论

学生记忆注意事项

观察图片在理解的基础上说出实验器材

根据实验步骤进行实验操作

学生记录实验数据作图并总结实验结论

阅读课文理解

控制变量的意思

学生练习

锻炼学生的自主学习能力。

对加速度、力和质量之间的关系有一个定性了解

为下面实验的顺利进行做铺垫

锻炼学生的观察理解能力

锻炼学生的动手操作能力

掌握平衡摩擦力的方法

锻炼学生的处理数据的能力和归纳总结能力。

锻炼学生的记忆能力掌握实验中的细节

锻炼学生的观察理解能力

锻炼学生的动手操作能力

锻炼学生的处理数据的能力和归纳总结能力。

锻炼学生自主学习的能力

巩固本节知识

课堂小结

1．实验目的：:定量分析a、F、m的关系。

2．实验方法：控制变量法

3．实验思路（1）保持物体的质量不变，研究加速度与力的关系。

（2）保持物体受力不变，研究加速度与质量的关系。

4．作图时应使所作的直线通过尽可能多的点，不在直线上的点也要尽可能的分布在直线的两侧，但若遇到个别偏离较远的点可舍去。

梳理自己本节所学知识进行交流

根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。

板书设计

一、实验：探究加速度与力、质量的关系

1．实验目的：:定量分析a、F、m的关系。

2．实验方法：控制变量法

3．实验思路

（1）保持物体的质量不变，测量不同力下的加速度。

（2）保持物体受力不变，测量不同质量下的加速度。

二、实验设计方案

1．实验设计1：用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系

2．实验设计2：通过位移之比测量加速度之比

3．作图时应使所作的直线通过尽可能多的点，不在直线上的点也要尽可能的分布在直线的两侧，但若遇到个别偏离较远的点可舍去。