高中物理 4.2实验 探索加速度与力、质量的关系导学案 新人教版必修1.doc

第四章 牛顿运动定律第二节 实验探索加速度与力、质量的关系【学习目标】1.了解实验过程，体验科学研究的方法；了解控制变量法研究物理规律。2掌握利用图象处理实验数据的方法。【重点 难点】1、控制变量法探究物理规律。2、实验设计与实验数据分析处理方法。预习案【自主学习】1、本节通过实验要探究哪三个量的关系？通过什么方法设计实验？2、怎样测量（或比较）物体的加速度3、怎样提供和测量物体所受的恒力4、怎样进行数据处理？5、实验中平衡摩擦力的目的和方法是什么？ 【学始于疑】（请将预习中不能解决的问题记录下来，供课堂解决。）探究案【合作探究】探究加速度与力、质量的关系： 1用天平测出小车和小盘(包括其中砝码)的质量分别为m0、m0，并把数值记录下来2如图将实验器材安装好(小车上不系绳) 3把木板无滑轮的一端下面垫一薄木板，平衡摩擦力 4将重物通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，用纸带记录小车的运动情况；取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂重物的重力mo g 5保持小车的质量不变，改变小盘(包括其中砝码)的质量，重复步骤4多做几次实验，每次小车从同一位置释放，并记录好相应纸带重物的重力m1g、m2 g表1：m不变，加速度a与受力的关系实验次数n小车受力f/n加速度a/(ms2)12345 6保持小车所受的合外力不变，在小车上加砝码，并测出小车和放上砝码后的总质量m1，接通电源放开小车，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带并在纸带上标上号码 7继续在小车上加放砝码，重复步骤6，多做几次实验，在每次得到的纸带上标上号码表2：f不变，加速度与质量的关系实验次数n小车质量m/kg加速度a/(ms2)12345 8利用以上两表中的数据，分别在坐标系中作出m不变时，a一f图象和f不变时，a一m图象实验注意事项对于教材提供的实验“参考案例”，操作时应注意以下几点：牵引小车的砝码应有10g、20g、50g等规格。没有小规格砝码，可用沙桶装沙替代，质量用天平称量。探究加速度与力的关系：小车质量为200g，两车上面均可加100g左右的砝码。保持其中一个小车所挂砝码不变（如20g），另一小车所挂砝码逐渐加大，但不要过大。砝码质量过大，会使图象线性变差。探究加速度与质量的关系：一车质量固定为300g，另一车质量可自200g起，逐次增加砝码至700g800g。牵引小车的砝码以30g40g为宜。小车质量过大，夹子不容易夹注车后拖线，造成位移误差。小车后所系线绳要用适当粗些的棉绳，当夹子夹住线绳时不会滑动。如果用表面较光滑的尼龙绳，当夹子闭合时线绳还会被小车拖一段距离才会停住。解决的办法可在尼龙绳上擦一些松香，以增大线绳与夹子之间的摩擦力。选择口宽、弹力大的夹子，使夹子张开和闭合动作要迅捷有力。动作缓慢，会使某些夹子张开夹口时两侧张开的程度不一样，张开较小的一侧所控制的小车拖绳受阻，影响到小车运动。注意小车运动停止的位置不能与定滑轮相碰。实验中如果小车碰到定滑轮才松手让夹子夹住拖线，则与定滑轮相碰的小车位移偏小而产生误差。 【思考】本实验误差有哪些？ 【课堂小结】【当堂检测】 1.在探究物体的加速度与力、质量的关系时,采用了一种科学方法,叫 ,即先控制物体的 不变,探究加速度与力的关系;再控制 不变,探究加速度与质量的关系;最后再综合起来,得到加速度与力和质量的关系. 2在误差允许的范围内得出的结论是： 当m不变时，a与f成什么关系？ 当f不变时，a与m成什么关系？3 在本探究实验中，为什么可用两车的位移之比表示加速度之比？【课后巩固】1、在利用打点计时器探究加速度与力、质量关系的实验中，以下做法正确的是（ ）a. 平衡摩擦力时，应将重物用细绳通过定滑轮系在小车上b. 每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力c. 实验时，先放开小车，后接通电源d.“重物的质量远小于小车的质量”这一条件如不满足，对探究过程也不会产生影响2、在研究加速度与质量的关系时，为什么要用为横坐标，加速度a为纵坐标，描绘a图象，而不是描绘am图象？aof(a)aof(b)图414ab3 在“探究加速度与力、质量的关系”这一实验中，有两位同学通过测量，分别作出a一f图象，如图414（a）（b）中的a、b线所示；试分析： (1)a线不通过坐标原点的原因是 ； (2)b线不通过坐标原点的原因是 。4、某同学用弹簧测力计、木块和细绳去粗略测定木块与固定斜面之间的动摩擦因数。设此斜面的倾角不大，不加拉力时木块在斜面上保持静止。(1)是否要用测力计称出木块的重力？(2)写出实验的主要步骤。(3)推导出求的计算式。答案：自主合作：1 （1）实验要探究的内容：力是物体产生加速度的原因，有力作用在物体上，就有加速度产生，且力越大，产生的加速度也越大。在相同力的作用下，加速度的大小还与物体的质量有关。因此，本实验要探究的内容是寻找加速度与力、质量三者间的关系。（2）探究实验的设计思路加速度既与力有关，又与质量有关，怎样通过实验研究它们间的关系呢？当一个物理量与多个因素有关时，为了弄清它们之间的关系，物理学中常用的一种方法叫做“控制变量法”，即：首先保持物体的质量不变，研究加速度与力的关系；然后保持物体所受的外力不变，研究加速度和质量的关系；最后经过总结推理，得出加速度与力、质量的关系。2、测量（或比较）物体的加速度：在第二章中，我们已经介绍过，运用打点计时器在与运动物体连接的纸带上打点，由纸带上打出的点来测量加速度的方法。由于本实验的目的是探究加速度与力、加速度与质量间的比例关系，因而也可不测加速度的具体数值，而测不同条件下加速度的比值。若两物体做初速度为0的匀加速运动，由可得，物体的加速度与在相同时间内发生的位移成正比，即a x。3、提供和测量物体所受的恒力我们以教材提供的实验“参考案例”为例，教材图4.2-4所示实验装置中，为实验研究对象小车（连同车内的砝码）提供恒力的是小盘和砝码。实验中我们认为，使小车做匀加速运动的力，与小盘和砝码的重力大小相等。为此，必须满足以下两个实验条件：水平板应尽可能光滑，最好将水平板的一端垫高成为倾角不大的斜面，轻轻推动小车（未挂小盘），使小车能在板上匀速运动，即用小车重力沿斜面方向的分力平衡摩擦力。小盘和砝码的质量要比小车的质量小很多。对此，学习了本章第七节“用牛顿定律解决问题（二）”中的“超重与失重”，你就明白了。4、数据处理方法：本实验的数据处理可以采用计算法和图象法两种不同的方法：（1）计算法 测得加速度或加速度之比（等于位移之比）后，通过计算看看是否满足、。 （2） 图象法 测得加速度后，用拉力f为横坐标，加速度a为纵坐标，描绘af图象，看看图象是否为过原点的倾斜直线；用为横坐标，加速度a为纵坐标，描绘a图象，看看图象是否为过原点的倾斜直线。或者在测得加速度之比（等于位移之比）后，用两车拉力之比f2/f1为横坐标，两车位移之比x2/x1表示加速度之比a2/a1为纵坐标，描绘af图象，看看图象是否为过原点的倾斜直线；用m1/m2为横坐标，加速度a2/a1为纵坐标，描绘a图象，看看图象是否为过原点的倾斜直线。 5、目的：实验中小车要受到摩擦阻力的作用，增加了实验的难度垫高水平木板不带滑轮的一端，使小车自身重力沿斜面的分力平衡摩擦力，这样小车所受拉力即为合力，提高了实验成功率 方法：不挂托盘，使小车拖着纸带，纸带通过打点计时器，并且使打点计时器处于工作状态，逐渐调节木板的倾角，使打下的纸带点间距相等，则说明小车做匀速直线运动，即平衡了摩擦力思考题参考答案1、质量的测量误差、纸带上打点计时器打点间隔距离的测量误差，拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差2、因实验原理不完善造成误差：本实验中用小盘及砝码的总重力代替小车受到的拉力(实际上小车受到的拉力要小于小盘及砝码的总重力)，存在系统误差小盘及砝码的总质量越接近小车的质量，误差就越大；反之，小盘及砝码的总质量越小于小车的质量，误差就越小3、平衡摩擦力不准造成误差：在平衡摩擦力时，除了不挂小盘外，其他的都跟正式实验一样(比如要挂好纸带、接通打点计时器)，匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上点的距离相等当堂检测1、控制变量法 质量 力2、正比 反比3、 在本探究实验中，两车均做初速度为0的匀加速直线运动。由匀加速直线运动位移公式 ，式中v0=0，且两车的运动时间t相等，故有a x，即，可用两车的位移之比表示加速度之比。课后巩固1、b解析 平衡摩擦力时，不把悬挂重物用细绳通过定滑轮系在小车上，即不对小车施加拉力。在木板无滑轮的一端下面垫一薄木块，反复移动其位置，直到拖在小车后面的纸带上打出的点距均匀为止。设木板的倾角为，则平衡摩擦力后有mg sin = mg cos ，即 = arctan ，与小车的质量无关，故每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力。实验时，应先接通电源，待打点计时器工作稳定后再放开小车。实验要求重物的质量远小于小车的质量，因为只有这样，重物的重力才近似等于细绳对小车的拉力。正确选项为b。2、解析 根据我们的经验，在相同力的作用下，质量m越大，加速度a越小。这可能是“a与m成反比”，但也可能是“a与m2成反比”，甚至可能是更复杂的关系。我们从最简单的情况入手，检验是否“a与m成反比”。实际上“a与m成反比”就是“a与成正比”，如果以为横坐标、加速度a为纵坐标建立坐标系，根据a图象是不是过原点的直线，就能判断加速度a是不是与质量m成反比。当然，检查am图象是不是双曲线，也能判断它们之间是不是反比例关系，但检查这条曲线是不是双曲线并不容易；而采用a图象，检查图线是不是过原点的倾斜直线，那就容易多了。所以，在研究加速度与质量的关系时，要描绘a图象，而不是描绘am图象。 3、解析 (1)a线在f轴上有一定的截距，表明f达到一定的值后小车才开始有加速度，这是没有平衡摩擦力，或平衡摩擦力不够引的。(2)b线在a轴上有一定的截距，表明f为0即不加f时小车已经有了一定的加速度，这是平衡摩擦力时木板倾角太大，即平衡摩擦力过度引起的