高中物理 第四章4.2實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系教學(xué)案 新人教版必修1

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1、4.2實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系 班級(jí)________姓名________學(xué)號(hào)_____ 教學(xué)目標(biāo): ★知識(shí)與技能 要求學(xué)生認(rèn)真看書，明確用“比較”的方法測(cè)量加速度；探究加速度與力、質(zhì) 量的關(guān)系；作出a-F、a-1／m圖象。 ★過程與方法 1． 在學(xué)生實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出a∝F、a∝1／m的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并使學(xué)生對(duì)牛頓第二定律有 初步的理解。 2．滲透科學(xué)的發(fā)現(xiàn)、分析、研究等方法。 ★情感態(tài)度與價(jià)值觀 通過對(duì)a∝F、a∝1／m的探究，在提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ幕A(chǔ)上，體驗(yàn)探究帶來的樂趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。 教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn): 重點(diǎn)：對(duì)a∝F、a∝1／m的探

2、究 難點(diǎn)：對(duì)探究性實(shí)驗(yàn)的把握。 教學(xué)方式： 本節(jié)課主要采取的是“實(shí)驗(yàn)——探究”教學(xué)方式。 教學(xué)工具： 1．學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的器材：木板、小車、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電源、小筒、細(xì)線、砝碼、天平、刻度尺、紙帶等。(①附有滑輪的長木板2塊；②小車2個(gè)；③帶小鉤或小盤的細(xì)線2條；④鉤碼(槽碼)，規(guī)格：10 g、20 g，用做牽引小車的力；⑤砝碼，規(guī)格：50 g、100 g、200 g，用做改變小車質(zhì)量；⑥刻度尺；⑦1 m～2 m粗線繩，用做控制小車運(yùn)動(dòng)) 如果沒有小規(guī)格鉤碼或槽碼，可以用沙桶及沙子替代，增加天平及砝碼，用來測(cè)質(zhì)量。 2．計(jì)算機(jī)及自編軟件，電視機(jī)(作顯示)。

3、3．投影儀，投影片。 教學(xué)設(shè)計(jì)： 新課導(dǎo)入： 1．復(fù)習(xí)提問：物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變快慢用什么物理量來描述，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變與何因素有關(guān)?關(guān)系是什么? 教師啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生得出：物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變快慢用加速度來描述，與物體質(zhì)量及物體受力有關(guān)。 (學(xué)生更詳細(xì)的回答可能為：物體受力越大，物體加速度越大；物體質(zhì)量越大，物體加速度越小) 2．教師引導(dǎo)提問進(jìn)入新課：物體的加速度與物體所受外力及物體的質(zhì)量之間是否存在一定的比例關(guān)系?如果存在，其關(guān)系是什么?請(qǐng)同學(xué)猜一猜。 (學(xué)生會(huì)提出很多種猜想，對(duì)每一種猜想，教師都應(yīng)予以肯定) 教師在學(xué)生猜想的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引導(dǎo)啟

4、發(fā)學(xué)生：我們的猜想是否正確呢，需要用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。這就是我們這節(jié)課所要研究的加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。 指導(dǎo)學(xué)生確定實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)操作： 一、實(shí)驗(yàn)介紹 投影：實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。 講解：我們用小車作為研究對(duì)象，通過在小車上增減砝碼可以改變小車質(zhì)量；在小車上掛一根細(xì)線，細(xì)線通過定滑輪拴一個(gè)小桶，小桶內(nèi)可以放重物，這時(shí)小車受到的拉力大致是小桶及重物的重力，我們可以通過改變小桶內(nèi)的重物改變小車受到的拉力。我們研究小車的加速度a與拉力F及小車質(zhì)量Ⅲ的關(guān)系時(shí)，可先保持m一定，研究以與F的關(guān)系；再保持F一定，研究d與m的關(guān)系．這是物理學(xué)中常用的研究 方法。(此控制變量法可引導(dǎo)學(xué)生

5、討論得出) 教師引導(dǎo)提問：如何根據(jù)現(xiàn)有器材測(cè)出小車的加速度?(學(xué)生回答：用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器) 教師可再追問：用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)加速度的方法和公式是什么?(在學(xué)生充分討論的基礎(chǔ) 上可展示如下版圖) 板圖：如果物體做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，那么，測(cè)量物體加速度最直接的辦法就是用刻度尺測(cè)量位移并用秒表測(cè)量時(shí)間，然后由a=2x/t2算出。也可以在運(yùn)動(dòng)物體上安裝一條打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶，根據(jù)紙帶上打出的點(diǎn)來測(cè)量加速度。 由于a=2x/t2，如果測(cè)出兩個(gè)初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)在相同時(shí)間內(nèi)發(fā)生的位移為x1、x2，位移之比就是加速度之比，即a1／a2= x1/ x2。 提出問題：在小車運(yùn)動(dòng)

6、過程中不可避免的要受到摩擦力的作用，這個(gè)摩擦力也會(huì)影響到小車的加速度，如何消除摩擦力的影響呢? 教師可啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生得出：把木板沒有定滑輪的一端墊高，使小車重力沿斜面向下的分力與摩擦力平衡。 二、實(shí)驗(yàn)過程 1．保持小車質(zhì)量不變，研究a與F的關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)的基本思路：保持物體的質(zhì)量不變，測(cè)量物體在不同的力的作用下的加速度，分析加速度與力的關(guān)系。 教師引導(dǎo)提問：怎樣才能直觀地反映出口與F是否成正比呢? 教師啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生得出：可以借助圖象，用橫軸表示拉力，用縱軸表示加速度，通過采集數(shù)據(jù)作a一F圖象。如加速度隨拉力的變化圖線是一條過原點(diǎn)的直線，就說明n與F成正比。 實(shí)

7、驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析：設(shè)計(jì)一個(gè)表格，把同一物體在不同力的作用下的加速度填在表中。為了更直觀地判斷加速度a與力F的數(shù)量關(guān)系，我們以以為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo)，根據(jù)各組數(shù)據(jù)在坐標(biāo)系中描點(diǎn)。如果這些點(diǎn)在一條過原點(diǎn)的直線上，說明a與F成正比，如果不是這樣，則需進(jìn)一步分析。 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，教師巡視指導(dǎo)．學(xué)生報(bào)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并輸人計(jì)算機(jī)。(用Excel表格處理數(shù)據(jù)) 教師引導(dǎo)各組代表匯報(bào)實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果得出結(jié)論。 板書：a∞F 2．保持拉力不變，研究a與m的關(guān)系 實(shí)驗(yàn)的基本思路：保持物體所受的力相同，測(cè)量不同質(zhì)量的物體在該力作用下的加速度，分析加速度與質(zhì)量的關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析：設(shè)計(jì)第二個(gè)表格，把不同物體在相

8、同力的作用下的加速度填在表中。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，在相同力的作用下，質(zhì)量優(yōu)越大，加速度a越小。這可能是“a與m成反比”，但也可能是“以與m2成反比”，甚至是更復(fù)雜的關(guān)系。我們從最簡單的情況人手，檢驗(yàn)是否“a與m成反比”。在數(shù)據(jù)處理上要用到下面的技巧。 板圖：“a與m成反比”實(shí)際上就是“a與1／m成正比”，如果以a為縱坐標(biāo)、1／m為橫坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，根據(jù)a-1／m圖象是不是過原點(diǎn)的直線，就能判斷加速度以是不是與質(zhì)量m成反比。 (實(shí)驗(yàn)前教師指導(dǎo)) 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，教師巡視指導(dǎo)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸人計(jì)算機(jī)。(用Excel表格處理數(shù)據(jù)) 各實(shí)驗(yàn)小組代表匯報(bào)實(shí)驗(yàn)情況得出結(jié)果。 板

9、書：a∞1／m 由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論 在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)和觀察到的事實(shí)，首先猜想物體的加速度與它所受的力及它的質(zhì)量有最簡單的關(guān)系，即加速度與力成正比、與質(zhì)量成反比a∝F、a∝l／m。 如果這個(gè)猜想是正確的，那么，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以a為縱坐標(biāo)、F為橫坐標(biāo)和以a為縱坐標(biāo)、1／M為橫坐標(biāo)作出的圖象，都應(yīng)該是過原點(diǎn)的直線．但是實(shí)際情況往往不是這樣，描出的點(diǎn)有些離散，并不是嚴(yán)格地位于某條直線上，用來擬合這些點(diǎn)的直線也并非準(zhǔn)確地通變?cè)c(diǎn)。 這時(shí)我們會(huì)想，自然規(guī)律真的是a∝F、a∝l／m嗎?如果經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，圖象中的點(diǎn)都十分靠近某條直線，而這些直線又都十分接近原點(diǎn)，那么

10、，實(shí)際的規(guī)律很可能就是這樣的。 可見，到這時(shí)為止，我們的結(jié)論仍然帶有猜想和推斷的性質(zhì)。只有根據(jù)這些結(jié)論推導(dǎo)出的很多新結(jié)果都與事實(shí)一致時(shí)，它才能成為“定律”。本節(jié)實(shí)驗(yàn)只是讓我們對(duì)于自然規(guī)律的夠究有所體驗(yàn)，實(shí)際上一個(gè)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)不可能是幾次簡單的測(cè)量就能得出的。 經(jīng)典例題 1．探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系 圖3-5-2 【例1】（2007年海南）現(xiàn)要驗(yàn)證“當(dāng)質(zhì)量一定時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)的加速度與它所受的合外力成正比”這一物理規(guī)律.給定的器材如下：一傾角可以調(diào)節(jié)的長斜面（如圖3-5-2所示）、小車、計(jì)時(shí)器一個(gè)、米尺. （1）填入適當(dāng)?shù)墓交蛭淖?，完善以下?shí)驗(yàn)步驟（不考慮摩擦力的影響）： ①

11、讓小車自斜面上方一固定點(diǎn)A1從靜止開始下滑到斜面底端A2，記下所用的時(shí)間t. ②用米尺測(cè)量A1與A2之間的距離x，則小車的加速度a＝ . ③用米尺測(cè)量A1相對(duì)于A2的高度h，設(shè)小車所受重力為mg，則小車所受的合外力F＝ . ④改變 ，重復(fù)上述測(cè)量. ⑤以h為橫坐標(biāo)，1/t2為縱坐標(biāo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖.如能得到一條過原點(diǎn)的直線，則可驗(yàn)證“當(dāng)質(zhì)量一定時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)的加速度與它所受的合外力成正比”這一規(guī)律. （2）在探究如何消除上述實(shí)驗(yàn)中摩擦阻力影響的過程中，某同學(xué)設(shè)計(jì)的方案是： ①調(diào)節(jié)斜面傾角，使小車在斜面上勻速下滑.測(cè)

12、量此時(shí)A1點(diǎn)相對(duì)于斜面底端A2的高度h0. ②進(jìn)行（1）中的各項(xiàng)測(cè)量. ③計(jì)算與作圖時(shí)用（h－h(huán)0）代替h. 對(duì)此方案有以下幾種評(píng)論意見： A．方案正確可行. B．方案的理論依據(jù)正確，但利用所給的器材無法確定小車在斜面上是否做勻速運(yùn)動(dòng). C．方案的理論依據(jù)有問題，小車所受摩擦力與斜面傾角有關(guān). 其中合理的意見是 【解析】(1) ②由得 ③小車在斜面上受重力和支持力作用，其合力為F=mgsinθ= ④改變小車所受外力來研究加速度與力的關(guān)系，改變受力又是通過改變斜面傾角或斜面高度h來實(shí)現(xiàn)的. （2）此方案不可行，如果在①測(cè)量中，使小車在斜面上勻速

13、下滑，則滿足mgsinθ=mmgcosθ，即m=tanθ，此后無論如何改變小車的質(zhì)量，小車都不可能加速下滑，即無法驗(yàn)證加速度與合外力的關(guān)系，故選C. 【答案】（1）② ③ ④斜面高度h (2)C 【點(diǎn)撥】在研究加速度與力的關(guān)系時(shí)，其中力是指物體所受的的合外力，因此找到物體所受的合外力是實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵，然后實(shí)驗(yàn)還需測(cè)出物體的加速度，而測(cè)加速度的方法有多種，如本實(shí)驗(yàn)（1）中的方法，利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和紙帶測(cè)量的方法等. 2．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法 【例2】某同學(xué)在探究加速度a與力F和加速度a與物體質(zhì)量M的關(guān)系時(shí)，測(cè)出了表1、表2兩組數(shù)據(jù)， 表1 F/N 0

14、.14 0.28 0.43 0.55 0.68 a/m·s-2 0.20 0.40 0.61 0.79 0.97 表2 1/M 2.00 2.50 3.33 4.00 4.80 a/m·s-2 0.44 0.56 0.73 0.89 1.08 圖3-5-6 a/m·s-2 1/M(kg-1) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 乙 a/m·s-2 F/N 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.1 0.3 0.5 0.7 甲 請(qǐng)?jiān)趫D3-

15、5-6甲、乙兩個(gè)坐標(biāo)上分別作出a-F和圖線。 【解析】根據(jù)表1中所給數(shù)據(jù)在圖3-5-7甲中先描點(diǎn)再連線，所連圖線是一條過原點(diǎn)的直線；說明加速度a與F成正比；根據(jù)表2中所給數(shù)據(jù)在圖3-5-7乙中描點(diǎn)連線，所連圖線是一條過原點(diǎn)的直線；說明加速度a與質(zhì)量的倒數(shù)成正比，即與M成反比. 圖3-5-7 a/m·s-2 1/M(kg-1) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 乙 a/m·s-2 F/N 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.1 0.3 0.5 0.7

16、 甲 【答案】如圖3-5-7所示. 【點(diǎn)撥】本題主要考察實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法及結(jié)果分析，描點(diǎn)連線時(shí)應(yīng)使直線過盡可能多的點(diǎn)，而不在直線上的點(diǎn)應(yīng)大致對(duì)稱分布在直線的兩側(cè)，如果有個(gè)別離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)視為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，不予以考慮. 課堂練習(xí) 1．“在影響加速度的因素”的探究中發(fā)現(xiàn) （CD） A．同一物體運(yùn)動(dòng)的速度越大，受到的合外力越大 B．同一物體運(yùn)動(dòng)的速度變化越大，受到的合外力越大 C．同一物體運(yùn)動(dòng)速度變化率越小，受到的合外力越小 D．同一物體運(yùn)動(dòng)速度變化越快，受到的合外力越大 2．為了研究加速度跟力和質(zhì)量的關(guān)系，應(yīng)該采用的研究實(shí)驗(yàn)方法是

17、 （A） A．控制變量法 B．假設(shè)法 C．理想實(shí)驗(yàn)法 D．圖象法 3．為了更直觀地反映物體的加速度a與物體質(zhì)量m的關(guān)系，往往用二者的關(guān)系圖象表示出來，該關(guān)系圖象應(yīng)選用 （C） A．a(chǎn)-m圖象 B．m-a圖象 C．圖象 D．圖象 4．如果圖象是通過原點(diǎn)的一條直線，則說明 （ B） A．物體的加速度a與質(zhì)量m成正比 B．物體的加速度a與質(zhì)量成反比 C．物體的質(zhì)量m與加速度a成正比 D．物體的質(zhì)量m與加速度a成反比 課后作業(yè)

18、1. 如圖3-5-10甲是用DIS測(cè)定小車剎車時(shí)加圖3-5-10 A v0 B 甲 v/m·s-1 t/s 0 0.6 1.2 1.8 2.4 3.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 乙 速度的實(shí)驗(yàn)裝置.（1）信號(hào)發(fā)射部分和信號(hào)接收部分組成_________傳感器，A應(yīng)是信號(hào)_________部分. （2）這組傳感器所直接測(cè)量的物理量是 ______. （3）如圖3-5-10乙是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的速度圖像，根據(jù)圖像中數(shù)據(jù)可求出小車加速度的大小為a=_______m/s2. 【答案】（1）運(yùn)動(dòng)，發(fā)射 （2）位移 （3）1.5 圖3

19、-5-11 θ 2.為了測(cè)定小木板和斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)，某同學(xué)設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn).在小木板上固定一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)(質(zhì)量不計(jì))，彈簧測(cè)力計(jì)下端吊一個(gè)光滑小球，將木板連同小球一起放在斜面上，如圖3-5-11所示.用手固定住木板時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為F1，放手后木板沿斜面下滑，穩(wěn)定時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為F2，測(cè)得斜面傾角為θ，由測(cè)得的數(shù)據(jù)可求出木板與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)是多少？ 【解析】用手固定住木板時(shí)，對(duì)小球有 F1=mgsinθ ① 木板沿斜面下滑時(shí)，對(duì)小球有 mgsinθ-F2=ma ② 木板與小球一起下滑有共同的加速度，對(duì)整體有(M+m)gsinθ-Ff=(M+m)a ③ Ff=μ(M+m)gcosθ ④ 聯(lián)立①②③④式得：