《探究加速度與力質(zhì)量的關(guān)系》教學(xué)設(shè)計(jì)

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1、《實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》教學(xué)設(shè)計(jì) 高中物理組：潘永紅 【教學(xué)目標(biāo)】 一、 知識(shí)與技能 1． 理解物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化快慢即加速度大小與力有關(guān)，與質(zhì)量也有關(guān)。 2． 通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系。 3． 培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力。 二、 過(guò)程與方法 1． 指導(dǎo)學(xué)生半定量地探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系，知道用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 2． 引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 3． 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并能根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果得出結(jié)論。 三、 情感、態(tài)度、價(jià)值觀 1． 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)實(shí)事求是、尊重客觀規(guī)律的科學(xué)態(tài)度。 2． 通過(guò)探究激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新精神。

2、3． 培養(yǎng)與人合作的團(tuán)隊(duì)精神。 【教學(xué)重點(diǎn)】 1． 控制變量法的使用。 2． 如何提出實(shí)驗(yàn)方案，并使實(shí)驗(yàn)方案合理可行。 3． 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理。 【教學(xué)難點(diǎn)】 1．在老師引導(dǎo)下提出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案。 2．實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程。 【教學(xué)用具】 小車，一端帶有滑輪的長(zhǎng)木板，鉤碼1盒（每盒10個(gè)），配重碼兩個(gè)，鐵夾，線繩若干。 【教學(xué)過(guò)程】 一、導(dǎo)入： 師：牛頓第一定律定性地描述了物體的運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持，力是使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的原因。當(dāng)物體受到的合外力不為0時(shí)，將使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變。而物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（也就是運(yùn)動(dòng)速度）發(fā)生改變時(shí)，物體具有加速度，

3、所以說(shuō)物體受到的合外力不為0是物體產(chǎn)生加速度的原因，即力是物體產(chǎn)生加速度的原因。 師：上節(jié)課的學(xué)習(xí)中我們還了解到：質(zhì)量是物體慣性的量度，質(zhì)量越大，慣性越大，而慣性越大就代表物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難改變就是說(shuō)速度變化慢即加速度小。所以質(zhì)量也將決定物體加速度的大小。 師：從上面的分析我們知道，物體的加速度與合外力和質(zhì)量有關(guān)，而且大體知道它們之間是怎樣的關(guān)系：質(zhì)量一定時(shí)，受力越大，其加速度越大。例如，競(jìng)賽用的小汽車，質(zhì)量與一般小汽車相仿，但因?yàn)榘惭b了強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠獲得巨大的牽引力，可以在四五秒內(nèi)從靜止加速到100km/h；受力一定時(shí)，質(zhì)量越小，加速度越大，例如，同樣牽引力下空車的加

4、速比裝滿貨物的車的加速度大。但是物體學(xué)研究不滿足這樣的定性關(guān)系。我們還想知道它們之間有怎樣的定量關(guān)系。下面我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究這個(gè)問(wèn)題。 師：如果某個(gè)物理量與好幾個(gè)物理之間均有關(guān)系，那如何單獨(dú)研究它與其中一個(gè)物理量的關(guān)系呢？ 生：控制變量法 控制變量法：要研究某兩個(gè)量之間的關(guān)系，必須保證其它所有的量都不變。比如我們?nèi)绻骄考铀俣扰c合外力的關(guān)系時(shí)一定要保證這兩個(gè)量之外的所有量均不變，這樣才能確定加速度的變化僅僅是由合外力的變化引起的。 二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備： 實(shí)驗(yàn)器材： 小車、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、一端帶滑輪的長(zhǎng)木板、細(xì)線、砝碼、鉤碼、刻度尺、天平 師：本節(jié)課我們探究的內(nèi)容是加速度與力、質(zhì)量的

5、關(guān)系，那實(shí)驗(yàn)中肯定要測(cè)量計(jì)算加速度、質(zhì)量、合外力這三個(gè)物理量。 師：對(duì)于物體運(yùn)動(dòng)的加速度的測(cè)量計(jì)算，哪位同學(xué)有好的思路建議？ 生：可以跟前面測(cè)量勻變速直線運(yùn)動(dòng)加速度一樣用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。 師：不錯(cuò)，這是一個(gè)非常好的建議。本節(jié)探究實(shí)驗(yàn)我們就是采用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量計(jì)算小車的加速度。 師：對(duì)于小車質(zhì)量的測(cè)量，我想大家應(yīng)該知道用什么樣的測(cè)量?jī)x器吧？ 生：用天平！ 師：很好，就是用天平?，F(xiàn)在我們已經(jīng)解決了兩個(gè)物理量的測(cè)量計(jì)算。那還有最后一個(gè)，就是如何測(cè)量計(jì)算小車所受的合外力，這是今天這節(jié)課的一個(gè)重點(diǎn)，也是一個(gè)難點(diǎn)。 師：在思考如何測(cè)量物體所受的合外力前我們先思考如何才能給小車提供一個(gè)

6、恒定的合外力。大家可以根據(jù)老師給你們的實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)思考回答這個(gè)問(wèn)題。 生：把附有滑輪的長(zhǎng)木板平放在水平實(shí)驗(yàn)桌上，將細(xì)繩一端與小車相連，一端繞過(guò)滑輪，下面掛上鉤碼。小車在鉤碼的牽引力下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)增減鉤碼數(shù)改變小車的受力；通過(guò)往小車上增減砝碼改變小車的質(zhì)量。 師：這位同學(xué)回答得非常好，非常全面。通過(guò)增減鉤碼數(shù)改變小車的受力，那我們?nèi)绾蝸?lái)測(cè)量小車所受的合外力呢？是不是鉤碼的重力就是小車所受的合外力呢？ 生：小車受四個(gè)力，重力、支持力、摩擦力、繩子的拉力。重力和支持力相互抵消，物體的合外力就等于繩子的拉力減去摩擦力。小車所受的合外力不是鉤碼的重力 師：那看起來(lái)比較麻煩，還要再去計(jì)算摩擦力，算

7、摩擦力時(shí)又要μ和壓力N。總之這樣要得到合外力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)太麻煩困難了。能不能有好一點(diǎn)的解決方法呢？這里主要是摩擦力惹的麻煩，有沒(méi)有辦法把摩擦力的影響給消除了呢？ 生：不可能吧？物體在現(xiàn)實(shí)中不可能不受摩擦力！ 師：我們雖然不能消除摩擦力，但我們可以消除摩擦力的作用效果，通過(guò)前面的學(xué)習(xí)中我們已經(jīng)了解到，一對(duì)平衡力的作用效果是可以相互抵消的，我們能不能用一個(gè)與摩擦力平衡的力來(lái)抵消摩擦力的作用效果呢，使摩擦力有等于沒(méi)有。 師：其實(shí)答案我早就給你們了，大家還記得這樣一道題嗎？ 如圖一個(gè)木塊正在傾角為θ為的三角斜面上勻速下滑，試求斜面的動(dòng)摩擦因數(shù)。 θ θ N Gcosθ Gsi

8、nθ G 解：因?yàn)閯蛩伲院贤饬?。物體受重力G、支持力N、摩擦力f。這三個(gè)力的合力為0。如何利用這個(gè)關(guān)系呢？我們可以將重力分解，分解后則有，，所以動(dòng)摩擦因數(shù)為tanθ。 問(wèn)：如果此時(shí)給物體加上一個(gè)沿斜面向下的力F，那物體現(xiàn)在受到的合外力是多少？ 解：加了一個(gè)力以后剛才的那三個(gè)力都沒(méi)有變，所以它們的合力還是0，再加上一個(gè)力F，所以物體現(xiàn)在的合力是F。 平衡摩擦力： 我們將長(zhǎng)木板傾斜一定角度θ，θ應(yīng)該等于，此時(shí)物體在斜面上受到的合外力為0。做實(shí)驗(yàn)時(shí)肯定無(wú)法這么準(zhǔn)確，我們只要把木板傾斜到物體在斜面上大致能夠勻速下滑（可以根據(jù)紙帶上的點(diǎn)來(lái)判斷），這就說(shuō)明此時(shí)物體合外力為0，摩擦力

9、被重力的沿斜面向下的分力（下滑力）給抵消了。由于小車的重力G、支持力N、摩擦力f相互抵消，那小車實(shí)驗(yàn)中受到的合外力就是繩子的拉力了。 師：那如何來(lái)測(cè)量繩子的拉力呢？ 生：看鉤碼的重力就行了，鉤碼的重力不就是繩子的拉力嗎？ 師：是嗎？那請(qǐng)同學(xué)們先回答我一個(gè)問(wèn)題：什么情況下繩子的拉力等于鉤碼的重量？或當(dāng)繩子拉力等于鉤碼重力時(shí)，鉤碼做的是什么運(yùn)動(dòng)？ 生：當(dāng)繩子拉力等于鉤碼重力時(shí)，鉤碼做的是勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止。 師：實(shí)驗(yàn)鉤碼做的是勻速直線運(yùn)動(dòng)嗎？ 生：不是！鉤碼與小車一樣做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，繩子的拉力應(yīng)該小于鉤碼的重力。 師：那怎么辦呢？理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)砝碼質(zhì)量比小車質(zhì)量小得多時(shí)（

10、≤1/6），繩子的拉力近似等于砝碼的重力，即小車受到合外力近似等于砝碼的重力。這個(gè)結(jié)論在我們學(xué)完本章之后自己就可以證明。 三、探究過(guò)程 1、探究加速度與合外力關(guān)系時(shí)，只要保持質(zhì)量不變，改變鉤碼個(gè)數(shù)，得到兩次實(shí)驗(yàn)的鉤碼重力之比，再通過(guò)紙帶得出兩次加速度之比，看鉤碼重力之比是不是等于加速度之比，如果是，說(shuō)明加速度與合外力成正比。 2、探究加速度與質(zhì)量關(guān)系時(shí)，保證鉤碼數(shù)量不變即合外力不變，改變質(zhì)量，得到兩次質(zhì)量之比，再通過(guò)紙帶得到兩次加速度之比，看加速度之比是不是等于質(zhì)量之反比，如果是，說(shuō)明加速度與質(zhì)量成反比。 師：在不需要計(jì)算出具體加速度數(shù)值的情況下如何從紙帶上計(jì)算兩次加速度之比呢？

11、 生：如果能讓兩次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間相同，則根據(jù)初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)在相同時(shí)間內(nèi)的位移之比等于加速度之比。 師：這位同學(xué)設(shè)想得很好，怎樣才能讓兩次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間相同呢？我給大家提 四、 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，處理數(shù)據(jù) 1、實(shí)驗(yàn)一 探究加速度與力的關(guān)系 表一：兩車質(zhì)量都是250g ? 藍(lán)色小車 紅色小車 組別 繩上掛的鉤碼 （代表力F1/N） 位移x1/cm 繩上掛的鉤碼（代表力F2/N） 位移x2/cm 1 ? ? 2 ? ? 3 ? ? 表二：兩車質(zhì)量都是250g 組別 1 ? 2 ? 3

12、 ? 2、實(shí)驗(yàn)二探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系 表三：兩車掛的鉤碼質(zhì)量都是20g ? 藍(lán)色小車 紅色小車車 組別 車和車上砝碼總質(zhì)量/g（代表質(zhì)量m1） 位移x1/cm 車和車上砝碼總質(zhì)量/g（代表質(zhì)量m2） 位移x2/cm 1 ? 2 ? 3 ? 表四：兩車掛的鉤碼質(zhì)量都是20g 組別 1 2 3 五、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和誤差分析 讓學(xué)生分析表二和表四，并得出結(jié)論 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合外力及它的質(zhì)量有最簡(jiǎn)單的關(guān)系，即與合外

13、力成正比，與質(zhì)量成反比。，。如果這個(gè)猜想正確，那么根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以a為縱坐標(biāo)、以F為橫坐標(biāo)，和以a為縱坐標(biāo)、以為橫坐標(biāo)作出的圖象，都應(yīng)該是經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的一條直線。但實(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(lái)擬合這些點(diǎn)的直線并非準(zhǔn)確地通過(guò)原點(diǎn)。 這時(shí)我們會(huì)想，自然規(guī)律真的是和嗎？如果經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，圖象中的點(diǎn)都十分靠近某條直線，面這些直線又都十分接近原點(diǎn)，那么實(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)律的探究有所體驗(yàn)，實(shí)際上一個(gè)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)不可能是幾次簡(jiǎn)單的測(cè)量就能得出的。由此看來(lái)，科學(xué)前輩們?cè)诟鶕?jù)有限的實(shí)驗(yàn)事實(shí)宣布某個(gè)定律時(shí)，既需要謹(jǐn)慎，也需要勇氣。