4.2《实验探究加速度与力质量的关系》学案

利辛高级中学高一年级物理学案撰写人：胡成第四章第二节：实验：探究加速度与力、质量的关系学习目标：1.设计探究加速度、质量、力三者之间关系的探究方案；2.会测量加速度、质量、力；并作出a与F，a与m的关系的图像，能根据图像写出a与F、m的关系式；3.体会探究过程中所用的科学方法——控制变量法，学习科学家的严谨态度。本节重点：设计探究加速度、力、质量三者关系的探究方案；根据实验数据利用图像法处理，会做图像，会根据图像建立速度、外力、质量的关系。本节难点：1.怎样测量加速度；2.怎样提供和测量物体受到的力。知识梳理：1.加速度是表示物体运动状态的物理量，根据事实经验，加速度与物体的有关，物体一定时，质量越小，加速度就越大；加速度还与物体的大小有关，物体一定时，受力越大，其加速度越大。2.控制变量法：加速度a与质量m，受力F都有关系，研究它们之间的关系时，先保持不变，测量物体在的力的作用下的加速度，分析加速度与力的关系。再保持物体所受的力，测量不同的物体在该力作用下的加速度，分析加速度与质量的关系。这种先控制一种参量不变，研究其余参量之间的变化关系的方法叫控制变量法。实验原理：1.保持研究对象即小车的质量不变，改变沙桶内沙的质量，即改变牵引力测出小车对应的加速度，用图像法验证加速度是否正比于作用力；2.保持沙桶内沙的质量不变，改变研究对象的质量，即往小车内加砝码，用电磁打点计时器测量出小车的对应加速度，用图像法验证加速度是否反比于质量。实验器材：附有定滑轮的长木板、薄木板、小车、细线、小桶及沙、打点计时器、低压交流电源、导线、天平（附砝码）、砝码、毫米刻度尺、纸带及复写纸等。实验步骤：1.用天平测量出小车和小桶的质量分别为M和M，并把数值记录下来。2.如图所示安装实验器材，只是不把悬挂小桶的细线系在小车上，即不给小车施加牵引力。3.平衡摩擦力：在长木板的不带定滑轮的一端下面垫薄木板并反复移动其位置，直到在打点计时器正常工作后，小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态为止（纸带上相邻点间距相等）。4.记录小车内所加砝码的质量m，称好沙子的质量m后将沙倒入小桶，把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶，此时要调整定滑轮的高度使绳与木板平行，接通电源，放开小车，待打点计时器在纸带上打好点后取下纸带并做好标记。5.保持小车总质量不变，改变沙的质量m（用天平称量），按照步骤4的方法打好纸带并做好标记。6.在每条纸带上都选取一段比较理想的部分，算出加速度的值。7.用纵坐标表示加速度，横坐标表示作用力（即沙和桶的总重力），根据实验结果描出相应的点，如这些点在一条直线上，便证明了加速度与作用力成正比。8.保持沙和桶的质量不变，在小车上加放砝码（并记录），重复上面的实验步骤，求出相应的加速度，用纵坐标表示加速度，横坐标表示质量的倒数)(1mM，根据实验结果描出相应的点，如果这些点在一条直线上，就证明了加速度与质量成反比。注意事项：1.实验步骤1与2、3不需重复，即整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变沙和小桶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相等，才表明平衡了摩擦力，否则必须重新调整薄木板的位置。2.平衡摩擦力后，每条纸带必须满足小车加砝码的质量大于沙和小桶的质量的条件下进行，只有如此，沙和小桶的总重力才可视为小车所受的拉力。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，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.作图像时，要使尽可能多的点在所在直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧。误差分析：1.沙和小桶的总重力约等于小车所受的合外力，但会带来一定的误差，小车的质量与沙和小桶的总质量相差越大，这种误差越小。2.为减小长度测量时的偶然误差，可进行多次测量取平均值。3.没有平衡摩擦力或摩擦力没有平衡好，实验中做出的图像不过原点。实验拓展：见课本P72“制定实验方案的两个问题”及参考案例。分组讨论1：1.在采用如图（图见“实验步骤”部分）所示的实验探究加速度和力、质量的关系时，按实验要求安装好器材后，应按一定的实验步骤进行实验，下列给出供选择的操作步骤：A.保持小桶和沙子的质量不变，在小车里加砝码，测出加速度，重复几次；B.保持小车的质量不变，改变小桶里沙子的质量，测出加速度，重复几次；C.用天平测出小车和沙子的质量；D.在长木板没有定滑轮的一端垫上厚度合适的垫木，平衡摩擦力；E.根据测出的数据，分别画出加速度和力的关系图线及加速度和质量的倒数关系图线；F.用秒表测出小车运动的时间；G.将装有沙子的小桶用细线通过定滑轮系到小车上，接通电源，释放小车，在纸带上打出一系列的点。以上步骤中，不必要的步骤是，正确步骤的合理顺序是。（填写字母）2.如果ma1图像是通过原点的一条直线，则说明（）A.物体的加速度a与质量m成正比B.物体的加速度a与质量m成反比C.物体的质量m与加速度a成正比D.物体的质量m与加速度a成反比分组讨论2：3.在探究加速度与力、质量的关系的实验中，以下操作正确的是（）A.平衡摩擦力时，应将重物用细线通过定滑轮系在小车上B.平衡摩擦力时，应将纸带连接在小车上并穿过打点计时器C.每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力D.实验时，应先释放小车，后接通电源4.如图是根据探究加速度与力的关系的实验数据描绘的Fa图像，下列说法正确的说（）A.三条倾斜直线所对应的小车和砝码的质量相同B.三条倾斜直线所对应的小车和砝码的质量不同C.直线1所对应的小车和砝码的质量最大D.直线3所对应的小车和砝码的质量最大分组讨论3：5.在探究加速度与力、质量的关系的实验中，（1）为了消除小车与水平木板之间的摩擦力的影响，应采用什么做法？（2）在探究加速度与质量的关系时，保持沙和小桶的质量不变，改变小车的质量m，分别得到小车的加速度a与质量m的数据如下表。序号12345小车的加速度)/(2sma0.780.380.250.200.16小车的质量kgm/0.200.400.600.801.00请根据实验数据，画出ma1图像。（3）在探究加速度与力的关系时，保持小车的质量不变，改变小桶中沙的质量，该同学根据实验数据作出了加速度a与力F的图线，该图线不过原点，试分析图像不过原点的原因是。这条图线在纵轴正方向的截距有何物理意义？