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

4.2實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系班級_姓名_學(xué)號_教學(xué)目標(biāo): 知識與技能要求學(xué)生認(rèn)真看書，明確用“比較”的方法測量加速度；探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系；作出a-F、a-1m圖象。過程與方法1 在學(xué)生實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出aF、a1m的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并使學(xué)生對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)度與價值觀通過對aF、a1m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aF、a1m的探究難點(diǎn)：對探究性實(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)時器、電源、小筒、細(xì)線、砝碼、天平、刻度尺、紙帶等。(附有滑輪的長木板2塊；小車2個；帶小鉤或小盤的細(xì)線2條；鉤碼(槽碼)，規(guī)格：10 g、20 g，用做牽引小車的力；砝碼，規(guī)格：50 g、100 g、200 g，用做改變小車質(zhì)量；刻度尺；1 m2 m粗線繩，用做控制小車運(yùn)動) 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，用來測質(zhì)量。 2計(jì)算機(jī)及自編軟件，電視機(jī)(作顯示)。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)動狀態(tài)改變快慢用什么物理量來描述，物體運(yùn)動狀態(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?請同學(xué)猜一猜。(學(xué)生會提出很多種猜想，對每一種猜想，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小桶，小桶內(nèi)可以放重物，這時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)量的關(guān)系時，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)生討論得出) 教師引導(dǎo)提問：如何根據(jù)現(xiàn)有器材測出小車的加速度?(學(xué)生回答：用打點(diǎn)計(jì)時器) 教師可再追問：用打點(diǎn)計(jì)時器測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，那么，測量物體加速度最直接的辦法就是用刻度尺測量位移并用秒表測量時間，然后由a=2x/t2算出。也可以在運(yùn)動物體上安裝一條打點(diǎn)計(jì)時器的紙帶，根據(jù)紙帶上打出的點(diǎn)來測量加速度。 由于a=2x/t2，如果測出兩個初速度為零的勻加速運(yùn)動在相同時間內(nèi)發(fā)生的位移為x1、x2，位移之比就是加速度之比，即a1a2= x1/ x2。 提出問題：在小車運(yùn)動過程中不可避免的要受到摩擦力的作用，這個摩擦力也會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)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析：設(shè)計(jì)一個表格，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)各組代表匯報實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果得出結(jié)論。板書：aF2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)第二個表格，把不同物體在相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1m成正比”，如果以a為縱坐標(biāo)、1m為橫坐標(biāo)建立坐標(biāo)系，根據(jù)a-1m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)小組代表匯報實(shí)驗(yàn)情況得出結(jié)果。 板書：a1m由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論 在這個實(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aF、alm。 如果這個猜想是正確的，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)、1M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)確地通變原點(diǎn)。 這時我們會想，自然規(guī)律真的是aF、alm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，實(shí)際的規(guī)律很可能就是這樣的。 可見，到這時為止，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，它才能成為“定律”。本節(jié)實(shí)驗(yàn)只是讓我們對于自然規(guī)律的夠究有所體驗(yàn)，實(shí)際上一個規(guī)律的發(fā)現(xiàn)不可能是幾次簡單的測量就能得出的。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，物體運(yùn)動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)時器一個、米尺.（1）填入適當(dāng)?shù)墓交蛭淖郑晟埔韵聦?shí)驗(yàn)步驟（不考慮摩擦力的影響）：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，記下所用的時間t.用米尺測量A1與A2之間的距離x，則小車的加速度a .用米尺測量A1相對于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 .改變 ，重復(fù)上述測量.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，物體運(yùn)動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：調(diào)節(jié)斜面傾角，使小車在斜面上勻速下滑.測量此時A1點(diǎn)相對于斜面底端A2的高度h0.進(jìn)行（1）中的各項(xiàng)測量.計(jì)算與作圖時用（hh0）代替h.對此方案有以下幾種評論意見：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.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) 由得小車在斜面上受重力和支持力作用，其合力為F=mgsin=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，如果在測量中，使小車在斜面上勻速下滑，則滿足mgsin=mmgcos，即m=tan，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） 斜面高度h(2)C【點(diǎn)撥】在研究加速度與力的關(guān)系時，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)還需測出物體的加速度，而測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)時器和紙帶測量的方法等.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，測出了表1、表2兩組數(shù)據(jù)， 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圖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甲請?jiān)趫D3-5-6甲、乙兩個坐標(biāo)上分別作出a-F和圖線?！窘馕觥扛鶕?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3-5-7a/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【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)大致對稱分布在直線的兩側(cè)，如果有個別離直線較遠(yuǎn)的點(diǎn)應(yīng)視為錯誤數(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)動的速度越大，受到的合外力越大B同一物體運(yùn)動的速度變化越大，受到的合外力越大C同一物體運(yùn)動速度變化率越小，受到的合外力越小D同一物體運(yùn)動速度變化越快，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 （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）Aa-m圖象Bm-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)1. 如圖3-5-10甲是用DIS測定小車剎車時加圖3-5-10Av0B甲v/m·s-1t/s00.61.21.82.43.00.40.81.21.62.0乙速度的實(shí)驗(yàn)裝置.（1）信號發(fā)射部分和信號接收部分組成_傳感器，A應(yīng)是信號_部分.（2）這組傳感器所直接測量的物理量是 _.（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，發(fā)射 （2）位移 （3）1.5圖3-5-112.為了測定小木板和斜面間的動摩擦因數(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彈簧測力計(jì)(質(zhì)量不計(jì))，彈簧測力計(jì)下端吊一個光滑小球，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，彈簧測力計(jì)的示數(shù)為F1，放手后木板沿斜面下滑，穩(wěn)定時彈簧測力計(jì)的示數(shù)為F2，測得斜面傾角為，由測得的數(shù)據(jù)可求出木板與斜面間的動摩擦因數(shù)是多少？【解析】用手固定住木板時，對小球有 F1=mgsin 木板沿斜面下滑時，對小球有 mgsin-F2=ma 木板與小球一起下滑有共同的加速度，對整體有(M+m)gsin-Ff=(M+m)a Ff=(M+m)gcos 聯(lián)立式得：