高中物理 第四章42实验：探究加速度与力、质量的关系教学案 新人教

14.2实验：探究加速度与力、质量的关系班级________姓名________学号_____教学目标:★知识与技能要求学生认真看书，明确用“比较”的方法测量加速度；探究加速度与力、质量的关系；作出a-F、a-1／m图象。★过程与方法1．在学生实验的基础上得出a∝F、a∝1／m的实验结论，并使学生对牛顿第二定律有初步的理解。2．渗透科学的发现、分析、研究等方法。★情感态度与价值观通过对a∝F、a∝1／m的探究，在提高学生实验能力的基础上，体验探究带来的乐趣，激发学生学习物理的兴趣。教学重点与难点:重点：对a∝F、a∝1／m的探究难点：对探究性实验的把握。教学方式：本节课主要采取的是“实验——探究”教学方式。教学工具：1．学生分组实验的器材：木板、小车、打点计时器、电源、小筒、细线、砝码、天平、刻度尺、纸带等。(①附有滑轮的长木板2块；②小车2个；③带小钩或小盘的细线2条；④钩码(槽码)，规格：10g、20g，用做牵引小车的力；⑤砝码，规格：50g、100g、200g，用做改变小车质量；⑥刻度尺；⑦1m～2m粗线绳，用做控制小车运动)如果没有小规格钩码或槽码，可以用沙桶及沙子替代，增加天平及砝码，用来测质量。2．计算机及自编软件，电视机(作显示)。3．投影仪，投影片。教学设计：新课导入：1．复习提问：物体运动状态改变快慢用什么物理量来描述，物体运动状态改变与何因素有关?关系是什么?教师启发引导学生得出：物体运动状态改变快慢用加速度来描述，与物体质量及物体受力有关。(学生更详细的回答可能为：物体受力越大，物体加速度越大；物体质量越大，物体加速度越小)2．教师引导提问进入新课：物体的加速度与物体所受外力及物体的质量之间是否存在一定的比例关系?如果存在，其关系是什么?请同学猜一猜。(学生会提出很多种猜想，对每一种猜想，教师都应予以肯定)教师在学生猜想的基础上进一步引导启发学生：我们的猜想是否正确呢，需要用实验来检验。这就是我们这节课所要研究的加速度与力、质量的关系。指导学生确定实验方案、完成实验操作：2一、实验介绍投影：实验装置如图所示。讲解：我们用小车作为研究对象，通过在小车上增减砝码可以改变小车质量；在小车上挂一根细线，细线通过定滑轮拴一个小桶，小桶内可以放重物，这时小车受到的拉力大致是小桶及重物的重力，我们可以通过改变小桶内的重物改变小车受到的拉力。我们研究小车的加速度a与拉力F及小车质量Ⅲ的关系时，可先保持m一定，研究以与F的关系；再保持F一定，研究d与m的关系．这是物理学中常用的研究方法。(此控制变量法可引导学生讨论得出)教师引导提问：如何根据现有器材测出小车的加速度?(学生回答：用打点计时器)教师可再追问：用打点计时器测加速度的方法和公式是什么?(在学生充分讨论的基础上可展示如下版图)板图：如果物体做初速度为零的匀加速直线运动，那么，测量物体加速度最直接的办法就是用刻度尺测量位移并用秒表测量时间，然后由a=2x/t2算出。也可以在运动物体上安装一条打点计时器的纸带，根据纸带上打出的点来测量加速度。由于a=2x/t2，如果测出两个初速度为零的匀加速运动在相同时间内发生的位移为x1、x2，位移之比就是加速度之比，即a1／a2=x1/x2。提出问题：在小车运动过程中不可避免的要受到摩擦力的作用，这个摩擦力也会影响到小车的加速度，如何消除摩擦力的影响呢?教师可启发引导学生得出：把木板没有定滑轮的一端垫高，使小车重力沿斜面向下的分力与摩擦力平衡。二、实验过程1．保持小车质量不变，研究a与F的关系。实验的基本思路：保持物体的质量不变，测量物体在不同的力的作用下的加速度，分析加速度与力的关系。教师引导提问：怎样才能直观地反映出口与F是否成正比呢?教师启发引导学生得出：可以借助图象，用横轴表示拉力，用纵轴表示加速度，通过采集数据作a一F图象。如加速度随拉力的变化图线是一条过原点的直线，就说明n与F成正比。实验数据的分析：设计一个表格，把同一物体在不同力的作用下的加速度填在表中。为了更直观地判断加速度a与力F的数量关系，我们以以为纵坐标、F为横坐标，根据各组数据在坐标系中描点。如果这些点在一条过原点的直线上，说明a与F成正比，如果不是这样，则需进一步分析。学生分组实验，教师巡视指导．学生报出实验数据并输人计算机。(用Excel表格处理数据)教师引导各组代表汇报实验过程及结果得出结论。板书：a∞F2．保持拉力不变，研究a与m的关系实验的基本思路：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，分析加速度与质量的关系。实验数据的分析：设计第二个表格，把不同物体在相同力的3作用下的加速度填在表中。根据我们的经验，在相同力的作用下，质量优越大，加速度a越小。这可能是“a与m成反比”，但也可能是“以与m2成反比”，甚至是更复杂的关系。我们从最简单的情况人手，检验是否“a与m成反比”。在数据处理上要用到下面的技巧。板图：“a与m成反比”实际上就是“a与1／m成正比”，如果以a为纵坐标、1／m为横坐标建立坐标系，根据a-1／m图象是不是过原点的直线，就能判断加速度以是不是与质量m成反比。(实验前教师指导)学生分组实验，教师巡视指导，学生实验数据输人计算机。(用Excel表格处理数据)各实验小组代表汇报实验情况得出结果。板书：a∞1／m由实验结果得出结论在这个实验中，我们根据日常经验和观察到的事实，首先猜想物体的加速度与它所受的力及它的质量有最简单的关系，即加速度与力成正比、与质量成反比a∝F、a∝l／m。如果这个猜想是正确的，那么，根据实验数据以a为纵坐标、F为横坐标和以a为纵坐标、1／M为横坐标作出的图象，都应该是过原点的直线．但是实际情况往往不是这样，描出的点有些离散，并不是严格地位于某条直线上，用来拟合这些点的直线也并非准确地通变原点。这时我们会想，自然规律真的是a∝F、a∝l／m吗?如果经过多次实验，图象中的点都十分靠近某条直线，而这些直线又都十分接近原点，那么，实际的规律很可能就是这样的。可见，到这时为止，我们的结论仍然带有猜想和推断的性质。只有根据这些结论推导出的很多新结果都与事实一致时，它才能成为“定律”。本节实验只是让我们对于自然规律的够究有所体验，实际上一个规律的发现不可能是几次简单的测量就能得出的。经典例题1．探究加速度与力、质量的关系【例1】（2007年海南）现要验证“当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一物理规律.给定的器材如下：一倾角可以调节的长斜面（如图3-5-2所示）、小车、计时器一个、米尺.（1）填入适当的公式或文字，完善以下实验步骤（不考虑摩擦力的影响）：①让小车自斜面上方一固定点A1从静止开始下滑到斜面底端A2，记下所用的时间t.②用米尺测量A1与A2之间的距离x，则小车的加速度a＝.③用米尺测量A1相对于A2的高度h，设小车所受重力为mg，则小车所受的合外力F＝.④改变，重复上述测量.⑤以h为横坐标，1/t2为纵坐标，根据实验数据作图.如能得到一条过原点的直线，则可验证“当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一规律.（2）在探究如何消除上述实验中摩擦阻力影响的过程中，某同学设计的方案是：图3-5-24图3-5-6a/m·s-21/M(kg-1)00.20.40.60.81.01.02.03.04.05.0乙a/m·s-2F/N00.20.40.60.81.00.10.30.50.7甲①调节斜面倾角，使小车在斜面上匀速下滑.测量此时A1点相对于斜面底端A2的高度h0.②进行（1）中的各项测量.③计算与作图时用（h－h0）代替h.对此方案有以下几种评论意见：A．方案正确可行.B．方案的理论依据正确，但利用所给的器材无法确定小车在斜面上是否做匀速运动.C．方案的理论依据有问题，小车所受摩擦力与斜面倾角有关.其中合理的意见是【解析】(1)②由221atx得22txa③小车在斜面上受重力和支持力作用，其合力为F=mgsinθ=xhmg④改变小车所受外力来研究加速度与力的关系，改变受力又是通过改变斜面倾角或斜面高度h来实现的.（2）此方案不可行，如果在①测量中，使小车在斜面上匀速下滑，则满足mgsinθ=mgcosθ，即=tanθ，此后无论如何改变小车的质量，小车都不可能加速下滑，即无法验证加速度与合外力的关系，故选C.【答案】（1）②22txa③xhmg④斜面高度h(2)C【点拨】在研究加速度与力的关系时，其中力是指物体所受的的合外力，因此找到物体所受的合外力是实验研究的关键，然后实验还需测出物体的加速度，而测加速度的方法有多种，如本实验（1）中的方法，利用打点计时器和纸带测量的方法等.2．实验数据处理方法【例2】某同学在探究加速度a与力F和加速度a与物体质量M的关系时，测出了表1、表2两组数据，表1F/N0.140.280.430.550.68a/m·s-20.200.400.610.790.97表21/M2.002.503.334.004.80a/m·s-20.440.560.730.891.08请在图3-5-6甲、乙两个坐标上分别作出a-F和Ma1图线。5图3-5-7a/m·s-21/M(kg-1)00.20.40.60.81.01.02.03.04.05.0乙a/m·s-2F/N00.20.40.60.81.00.10.30.50.7甲【解析】根据表1中所给数据在图3-5-7甲中先描点再连线，所连图线是一条过原点的直线；说明加速度a与F成正比；根据表2中所给数据在图3-5-7乙中描点连线，所连图线是一条过原点的直线；说明加速度a与质量的倒数成正比，即与M成反比.【答案】如图3-5-7所示.【点拨】本题主要考察实验数据的处理方法及结果分析，描点连线时应使直线过尽可能多的点，而不在直线上的点应大致对称分布在直线的两侧，如果有个别离直线较远的点应视为错误数据，不予以考虑.课堂练习1．“在影响加速度的因素”的探究中发现（CD）A．同一物体运动的速度越大，受到的合外力越大B．同一物体运动的速度变化越大，受到的合外力越大C．同一物体运动速度变化率越小，受到的合外力越小D．同一物体运动速度变化越快，受到的合外力越大2．为了研究加速度跟力和质量的关系，应该采用的研究实验方法是（A）A．控制变量法B．假设法C．理想实验法D．图象法3．为了更直观地反映物体的加速度a与物体质量m的关系，往往用二者的关系图象表示出来，该关系图象应选用（C）A．a-m图象B．m-a图象C．ma1图象D．am1图象4．如果ma1图象是通过原点的一条直线，则说明（B）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6课后作业1.如图3-5-10甲是用DIS测定小车刹车时加速度的实验装置.（1）信号发射部分和信号接收部分组成_________传感器，A应是信号_________部分.（2）这组传感器所直接测量的物理量是______.（3）如图3-5-10乙是根据实验数据得到的速度图像，根据图像中数据可求出小车加速度的大小为a=_______m/s2.【答案】（1）运动，发射（2）位移（3）1.52.为了测定小木板和斜面间的动摩擦因数，某同学设计了如下的实验.在小木板上固定一个弹簧测力计(质量不计)，弹簧测力计下端吊一个光滑小球，将木板连同小球一起放在斜面上，如图3-5-11所示.用手固定住木板时，弹簧测力计的示数为F1，放手后木板沿斜面下滑，稳定时弹簧测力计的示数为F2，测得斜面倾角为θ，由测得的数据可求出木板与斜面间的动摩擦因数是多少？【解析】用手固定住木板时，对小球有F1=mgsinθ①木板沿斜面下滑时，对小球有mgsinθ-F2=ma②木板与小球一起下滑有共同的加速度，对整体有(M+m)gsinθ-Ff=(M+m)a③Ff=μ(M+m)gcosθ④联立①②③④式得：tan12FF图3-5-10Av0B甲v/m·s-1t/s00.61.21.82.43.00.40.81.21.62.0乙图3-