【人教版2019必修第一册】高一物理2实验：探究加速度与力、质量的关系（教学设计）教案

第2节实验：探究加速度与力、质量的关系（教学设计）年级高一年级学科物理教师课题第2节实验：探究加速度与力、质量的关系教学目标物理观念知道加速度与力、质量之间一定存在着定量关系;能根据共点力平衡理解用重力的分力补偿阻力的科学性。科学思维经历探究加速度与力、质量的关系的设计过程，能够依据要求进行实验设计，学会选择合理的实验方案进行探究实验;能根据实验数据绘制图像，并依据图像推理加速度与力、质量的关系。科学探究会设计实验方案，能向同学论证自己的实验方案;经历实验操作和测量的过程，学会平衡阻力、减小系统误差的操作方法，能正确地收集实验数据。科学态度与责任通过完整的探究过程，体会探究过程的科学性和严谨性，培养与同学合作的团队精神。教学重难点1.学习用控制变量法探究物理规律(难点)。2.明确实验原理，能通过实验数据及图像得出加速度与力、质量的关系(重难点)。教学过程教师活动学生活动导入新课教师：进行演示实验:(1)如图所示，同一小车在不同拉力作用下加速。请同学们观察小车的加速情况，并判断小车加速度的大小。(2)在小车上放置质量不同的钩码（配重），用相同的悬挂物拖动。请观察小车的加速情况，判断小车加速度的大小。教师：物体运动的加速度大小可能与什么因素有关呢？学生：通过实验会发现，加速度大小与物体的质量以及物体所受外力有关。质量相同时，受力越大，加速度越大；受力相同时，质量越小，加速度越大。教师：针对学生提出的加速度与力、质量有关的结论，进一步提出问题：做自由落体运动的物体其加速度都相同，与质量无关，基于这个事实，你还有其他的猜想吗？学生：物体的加速度有可能是与力和质量的比值有一定的关联。新课讲授一、实验思路——控制变量法教师：经过初步分析我们知道了物体的加速度与物体的质量、所受的力都有关系，那我们应该怎样进行实验探究呢？学生：采用控制变量法进行实验探究。1．探究加速度与力的关系保持小车质量不变，通过改变槽码的个数改变小车所受的拉力，测得不同拉力下小车运动的加速度，分析加速度与拉力的定量关系。2．探究加速度与质量的关系保持小车所受的拉力不变，通过在小车上增加重物改变小车的质量，测得不同质量的小车对应的加速度，分析加速度与质量的定量关系。学生思考后回答。新课讲授二、物理量的测量教师：依据实验目的，如果能测量出物体的质量、物体受到的外力，以及物体运动的加速度，那我们就可以进行分析得出结论。那么，可如何得到这些数据呢？学生：1．质量的测量：用天平测量。在小车中增减砝码的数量可改变小车的质量．2．加速度的测量(1)方法1：让小车做初速度为0的匀加速直线运动，用刻度尺测量小车移动的位移x，用秒表测量发生这段位移所用的时间t，然后由a＝eq\f(2x,t2)计算出加速度a。(2)方法2：由纸带根据公式Δx＝aT2结合逐差法计算出小车的加速度。(3)方法3：不直接测量加速度，求加速度之比。例如：让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等，测出各自的位移x1、x2，则eq\f(a1,a2)＝eq\f(x1,x2)，把加速度的测量转换成位移的测量。3．力的测量在阻力得到补偿的情况下，小车受到的拉力等于小车所受的合力。(1)在槽码的质量比小车的质量小得多时，可认为小车所受的拉力近似等于槽码所受的重力。(2)使用力传感器可以直接测量拉力的大小，不需要使槽码的质量远小于小车的质量。学生分组制订实验方案。新课讲授三、实验器材小车、砝码、槽码、细线、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、交流电源、纸带、刻度尺、天平。新课讲授四、进行实验(以参考案例1为例)教师：将学生分为两组，一组完成探究小车的加速度与其受力的关系的实验，另一组完成探究小车的加速度与其质量的关系的实验。教师巡视，并指导学生进行实验。学生：分为两组进行实验。1．用天平测出小车的质量m，并把数值记录下来．2．按如图所示的装置把实验器材安装好(小车上先不系细线)．3．补偿阻力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫上垫木，反复移动垫木位置，启动打点计时器，直到轻推小车使小车在木板上运动时可保持匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等)，此时小车重力沿木板方向的分力等于打点计时器对小车的阻力和长木板的摩擦阻力及其他阻力之和．4．把细线绕过定滑轮系在小车上，另一端挂上槽码．保持小车质量不变，改变槽码的个数，以改变小车所受的拉力．处理纸带，测出加速度，将结果填入表1中．表1小车质量一定拉力F/N加速度a/(m·s－2)5.保持槽码个数不变，即保持小车所受的拉力不变，在小车上增减砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，把数据记录在表2中．表2小车所受的拉力一定质量m/kg加速度a/(m·s－2)学生根据实验要求完成实验，并记录实验数据。新课讲授五、数据分析教师：请同学们分别作出a－F图像和a－eq\f(1,m)图像。学生：分组作图。1.分析加速度a与拉力F的定量关系由表1中记录的数据，以加速度a为纵坐标，以拉力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a－F图像，如图所示，若图像是一条过原点的倾斜直线，就能说明a与F成正比．2．分析加速度a与质量m的定量关系由表2中记录的数据，以a为纵坐标，以eq\f(1,m)为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a－eq\f(1,m)图像，如图所示．若a－eq\f(1,m)图像是一条过原点的倾斜直线，说明a与eq\f(1,m)成正比，即a与m成反比．教师：请同学们分析实验获取的实验数据以及绘制的图像，总结出结论。学生：实验结论：(1)保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受拉力F成正比．(2)保持拉力F不变时，物体的加速度a与质量m成反比．学生作出a－F图像和a－eq\f(1,m)图像，总结归纳。新课讲授六、注意事项教生：共同完成。1．打点前小车应靠近打点计时器且应先启动打点计时器后放开小车。2．在补偿阻力时，不要悬挂槽码，但小车应连着纸带且启动打点计时器．用手轻轻地给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点的间隔均匀，表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿木板向下的分力平衡。3．作图时应使所作的直线通过尽可能多的点，不在直线上的点也要尽可能地均匀分布在直线的两侧，个别偏离较远的点应舍去。例1某同学用如图甲所示的实验装置探究小车的加速度a与质量m的关系，打点计时器所用交变电流的频率为50Hz。(1)把木板的一侧垫高，调节木板的倾斜程度，使小车在不受牵引时能拖动纸带匀速运动，这样做的目的是。(2)保持小车所受的拉力不变，改变小车质量m，分别测得不同质量时小车加速度a的数据如表所示。请在图乙中作出a－1m图像。根据a－1m图像可以得到的实验结论是次数1234加速度a/(m·s－2)0.6000.4820.3070.152质量倒数1m/kg4.003.002.001.00答案(1)平衡阻力(2)见解析图当拉力不变时，小车的加速度与质量成反比解析(1)把木板的一侧垫高，调节木板的倾斜程度，使小车在不受牵引时能拖动纸带匀速运动，这样做的目的是平衡阻力。(2)如图所示。由图像可知，当拉力不变时，小车的加速度与质量的倒数成正比，即加速度与质量成反比。例2在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，某小组设计了如图所示的实验装置。图中上、下两层水平轨道表面光滑，两小车前端系上细线，细线跨过滑轮并挂上砝码盘，两小车尾部细线连到控制装置上，实验时通过控制装置使两小车同时开始运动，然后同时停止。(1)在安装实验装置时，应调整滑轮的高度，使；在实验时，为减小系统误差，应使砝码盘和砝码的总质量(选填“远大于”“远小于”或“等于”)小车的质量。

(2)本实验通过比较两小车的位移来比较小车加速度的大小，能这样比较，是因为。

答案(1)细线与轨道平行(或水平)远小于(2)两小车从静止开始做匀加速直线运动，且两小车的运动时间相等解析(1)拉小车的细线要与轨道平行。只有在砝码盘和砝码的总质量远小于小车质量时，才能认为细线拉小车的力等于砝码盘和砝码的总重力。(2)对初速度为零的匀加速直线运动，运动时间相同时，根据x＝12at2，得a学生结合自己实验过程，与教师共同完成，总结归纳注意事项。课堂练习1.用如图甲所示的实验装置探究小车的加速度a与力F的关系。(1)进行实验时，(选填“需要”或“不需要”)将长木板左端垫高以平衡摩擦力；

(2)根据实验数据画出如图乙所示的a－F图像，由此得出实验结论：在小车质量保持不变时，小车的加速度a与力F成(选填“正比”或“反比”)。

答案(1)需要(2)正比解析(1)探究小车的加速度a与力F关系的实验中，长木板上的摩擦力不可忽略，需要将长木板左端垫高以平衡摩擦力；(2)由题图乙可知小车的加速度a与力F成正比关系。2.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，某同学设计了如图甲所示的实验装置，已知实验使用的电源频率为50Hz。(1)若该同学要探究加速度a和拉力F的关系，应该保持不变。

(2)实验时，以下操作顺序正确的是(填正确答案标号)。

A.先释放小车，再接通打点计时器的电源B.先接通打点计时器的电源，再释放小车(3)如图乙所示，该同学在某次实验得到的纸带上选定A、B、C、D、E五个计数点(相邻两个计数点间有四个点未画出)，并测出每两个相邻计数点间的距离，根据纸带可求出打D点时小车的速度为m/s；小车的加速度大小为m/s2(结果均保留两位有效数字)。

(4)该同学利用实验数据作出了如图丙所示的a－F图像，请分析图像不过原点的原因是。

答案(1)小车质量(2)B(3)0.750.51(4)平衡阻力时长木板倾角过小或未平衡阻力解析(1)若该同学要探究加速度a和拉力F的关系，应该保持小车质量不变。(2)实验时，应先接通打点计时器的电源，再释放小车。故选B。(3)依题意，电源频率为50Hz，则纸带上相邻计数点间的时间间隔为T＝5×0.02s＝0.1s打D点时小车的速度为vD＝xCE2T＝7.21+7.722×0.1×10－2由逐差法可知小车的加速度大小为a＝xCE−xAC4T2＝(7.21+7.72)−(6.19+6.70)4×0.12(4)由题图丙可知，当拉力F达到某一值时，小车才产生加速度，说明平衡阻力时长木板倾角过小或未平衡阻力。3.如图所示为某小组“探究在质量一定的条件下，物体的加速度与其所受外力间的关系”的实验装置示意图。(1)下面列出了一些实验器材：电磁打点计时器、纸带、带定滑轮的长木板、垫板、小车和钩码、沙和沙桶、天平(附砝码)。除以上器材外，还需要的有。

A.秒表 B.刻度尺C.交流电源 D.直流电源(2)本实验采用的科学方法是。

A.理想实验法B.控制变量法C.建立物理模型法(3)实验中，需要平衡打点计时器对小车的阻力及其他阻力；小车放在长木板上，后面固定一条纸带，纸带穿过打点计时器，把长木板不带定滑轮的一端垫高，调节长木板的倾斜度，使小车在不受绳的拉力时能拖动纸带沿长木板做运动。

(4)实验时，某小组同学由于疏忽，遗漏了平衡阻力这一步骤，他得到的a－F图像可能是图中的(选填“①”“②”或“③”)图线。

答案(1)BC(2)B(3)匀速直线(4)③解析(1)本实验中需要测位移，则需要刻度尺，电磁打点计时器需要接交流电源，故选B、C。(2)实验“探究在质量一定的条件下，物体的加速度与其所受外力间的关系”，采用的科学方法是控制变量法，故选B。(3)平衡阻力时，把长木板不带定滑轮的一端垫高，调节长木板的倾斜度，使小车在不受绳的拉力时能拖动纸带沿长木板做匀速直线运动即可。(4)某小组同学遗漏了平衡阻力这一步骤，则当力F大于阻力时，小车才会有加速度，故得到图线③。4.某物理兴趣小组的同学用如图甲所示的装置完成“探究加速度与力、质量的关系”的实验。实验中，细绳通过拉力传感器与小车相连，可以从传感器的电子显示屏上读出拉力的大小。(1)实验室提供了电磁打点计时器和电火花计时器，从减小纸带所受阻力的角度思考，应选择(填“电磁打点”或“电火花”)计时器。

(2)实验中(填“需要”或“不需要”)满足沙桶连同沙粒的总质量远小于小车连同车内砝码的总质量。

(3)实验中使用频率为50Hz的交流电源，通过打点计时器打出的纸带测量小车的加速度大小，其中一条清晰的纸带如图乙所示，在纸带上确定了五个计数点A、B、C、D、E，相邻计数点间的距离已标在图上，每两个相邻的计数点之间还有两个计时点未画出，则小车的加速度大小为m/s2(结果保留3位有效数字)。

(4)实验中先保持小车的总质量不变，改变沙桶的质量，通过拉力传感器测出绳的拉力F的大小与对应加速度a的大小，作出a－F图像，发现a与F成正比。再保持绳的拉力大小不变，改变小车内砝码的数量，从而改变小车的质量，测出小车的质量m与对应加速度a的大小，作出a－m图像如图丙所示，通过图线(填“能”或“不能”)直接判断出a与m的关系，原因是。

答案(1)电火花(2)不需要(3)1.97(4)不能通过图像中的曲线无法判断是反比例函数曲线解析(1)电磁打点计时器打点时纸带与限位孔之间、纸带与振针之间不可避免的存在摩擦，而电火花计时器是利用接正极的放电针和墨粉纸盘到接负极的纸盘轴，产生火花放电，实验误差小，所以选用电火花计时器；(2)实验中绳的拉力可由拉力传感器测出，不需要保证沙和沙桶的质量远小于小车和车内砝码的总质量；(3)两相邻计数点间的时间间隔为T＝3×0.02s＝0.06s小车的加速度大小为a＝xCE−xAC(4)通过图像中的曲线无法判断是反比例函数曲线，故无法准确得到加速度与质量成反比的关系。5.如图所示为某同学探究“在外力一定的条件下，物体的加速度与其质量间的关系”的实验装置示意图．(1)下面列出了一些实验器材：电磁打点计时器、纸带、带滑轮的长木板、垫板、小车和砝码、砂和砂桶、天平(附砝码)．除以上器材外，还需要的有________；A．秒表 B．刻度尺C．交流电源 D．直流电源(2)本实验采用的科学方法是________；A．理想实验法B．控制变量法C．建立物理模型法(3)实验中，需要补偿打点计时器对小车的阻力及其他阻力；小车放在长木板上，后面固定一条纸带，纸带穿过打点计时器．把长木板一端垫高，调节长木板的倾斜度，使小车在不受绳的拉力时能拖动纸带沿长木板做________运动；(4)某小组在探究“外力一定时，加速度与质量的关系”时，保持砂和砂桶质量不变，改变小车