必修一 4.2實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系
一、教材分析
這是一節(jié)學(xué)生實驗課，目的是為了讓學(xué)生體會物理探究過程中所用的科學(xué)方法。書中沒有給出確定的實驗方案，要學(xué)生自己設(shè)計，但是給出了實驗的基本思路：控制變量法。學(xué)生在初中已經(jīng)接觸過控制變量法，難度應(yīng)該不大。
二、目標(biāo)
知識與技能
1．理解物體運動狀態(tài)的變化快慢，即加速度大小與力有關(guān)，也與質(zhì)量有關(guān)．
2．通過實驗探究加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系．
3．培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力．
過程與方法
1．指導(dǎo)學(xué)生半定量的探究加速度和力、物體質(zhì)量的關(guān)系，知道用控制變量法進行實驗．
2．學(xué)生自己設(shè)計實驗，自己根據(jù)自己的實驗設(shè)計進行實驗．
3．對實驗數(shù)據(jù)進行處理，看一下實驗結(jié)果能驗證什么問題，
情感態(tài)度與價值觀
1．通過探究實驗，培養(yǎng)實事求是、尊重客觀規(guī)律的科學(xué)態(tài)度．
2．通過實驗探究激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新精神．
3．培養(yǎng)與人合作的團隊精神．
三、重難點
教學(xué)重點
1．控制變量法的使用．
2．如何提出實驗方案并使實驗方案合理可行．
3．實驗數(shù)據(jù)的分析與處理．
教學(xué)難點
1．如何提出實驗方案并使實驗方案合理可行．
2．實驗數(shù)據(jù)的分析與處理．
四、學(xué)情分析
學(xué)生對控制變量法應(yīng)以掌握，關(guān)鍵是實驗設(shè)計，實驗操作能力不強，應(yīng)讓其做好充分的課前預(yù)習(xí)
五、教學(xué)方法
探究、講授、討論、練習(xí)
六、課前準(zhǔn)備
多媒體課件，小車（20輛，每輛車上貼上質(zhì)量為200g，貼上“參照車”與“實驗車”字樣），一端帶有滑輪的長木板（20個），一次性小塑料口杯及棉線套（20個，質(zhì)量可忽略），50g規(guī)格鉤碼10盒（每盒10個），托盤天平砝碼20盒，刻度尺（米尺），線繩若干，鐵文件夾10個，計算機和大屏幕投影系統(tǒng)一套，計算器。
七、課時安排
1課時
八、教學(xué)過程
（一）預(yù)習(xí)檢查、總結(jié)疑惑
（二）情境導(dǎo)入、展示目標(biāo)
利用多媒體投影圖4?2?1；
分組定性討論
組I：物體質(zhì)量一定，力不同，物體加速度有什么不同?
組2：力大小相同，作用在不同質(zhì)量的物體上，物體加速度有什么不同?
師：請組1的代表回答一下你們討論的結(jié)果．
組1生：當(dāng)物體質(zhì)量一定時，物體的加速度應(yīng)該隨著力的增大而增大．
師：請組2的代表回答你們組討論的問題，
組2生：當(dāng)力大小相同時，物體質(zhì)量越大，運動狀態(tài)越難以改變，所以質(zhì)量越大，加速度越�。�
師：物體運動狀態(tài)改變快慢取決于哪些因素?定性關(guān)系如何?
生l：應(yīng)該與物體的質(zhì)量和物體所受的力有關(guān)系．力越大，加速度越大；質(zhì)量越大，加速度越�。�
生2：這里指的力應(yīng)該是物體所受的合力，以上圖為例，物體所受的重力和支持力相等，不參與加速度的提供．
師：剛才進行多媒體演示時一次是固定力不變，一次是固定質(zhì)量不變，這樣做有什么好處呢?
生：方便我們的研究．
師：這是研究多個變量之間關(guān)系的非常好的方法，我們把它稱作控制變量法．我們以前在什么地方學(xué)到過這種方法?
生1：在初中我們在探究物體的密度與質(zhì)量、體積之間的關(guān)系時
生2：在研究電流與電壓、電阻的關(guān)系時．
師：好，我們這節(jié)課就用這種方法進行探究加速度和力、質(zhì)量之間的關(guān)系．
首先來看本屆的學(xué)習(xí)目標(biāo)
知識與技能
1．理解物體運動狀態(tài)的變化快慢，即加速度大小與力有關(guān)，也與質(zhì)量有關(guān)．
2．通過實驗探究加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系．
3．培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力．
過程與方法
1．指導(dǎo)學(xué)生半定量的探究加速度和力、物體質(zhì)量的關(guān)系，知道用控制變量法進行實驗．
2．學(xué)生自己設(shè)計實驗，自己根據(jù)自己的實驗設(shè)計進行實驗．
3．對實驗數(shù)據(jù)進行處理，看一下實驗結(jié)果能驗證什么問題，
情感態(tài)度與價值觀
1．通過探究實驗，培養(yǎng)實事求是、尊重客觀規(guī)律的科學(xué)態(tài)度．
2．通過實驗探究激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新精神．
3.培養(yǎng)與人合作的團隊精神．
（三）合作探究、精講點撥
一、加速度與力的關(guān)系
師：設(shè)計一個實驗，保持物體的質(zhì)量不變，測量物體在各個不同的力的作用下的加速度，分析加速度與力的關(guān)系．大家分組討論并且每組設(shè)計一個實驗方案，并說明實驗的原理．
分組討論
組l生1：我們是根據(jù)課本上的參考案例設(shè)計實驗的(在投影儀上展示實驗裝置如圖4?2?2)．
組1生2：我們設(shè)計實驗的實驗原理如下；因?為兩個小車的初速度都為零，拉力大小不同，但對每個小車來說保持不變，所以小車應(yīng)該做勻加速直線運動．根據(jù)初速度為零的勻加速直線運動的位移公式x=at2/2可知，加速度和位移成正比，只要測量位移就可以得到加速度與受力之間的關(guān)系，力的大小可以根據(jù)盤中的砝碼求出來．
師：下面請組2的代表發(fā)言．
組2生1：我們設(shè)計的方法和組1的差不多，我們是用了一輛小車，小車后面連接一紙帶，用打點計時器記錄小車的運動情況，根據(jù)所打的點計算小車的加速度，然后再看所受的力和加速度的關(guān)系．
組2生2：為了消除摩擦力的影響，我們在木板下面墊了一個小木塊，當(dāng)小車沒有拉力時讓它在木板上勻速運動．
師：這個同學(xué)的想法很好，這樣小車受到的繩子的拉力就等于小車受到的合力，下面請組3的同學(xué)代表發(fā)言．
組3生1：前面兩組的同學(xué)設(shè)計實驗時都是物體的初速度為零，我們可以利用氣墊導(dǎo)軌設(shè)計一個更為一般的方法，讓導(dǎo)軌傾斜不同的角度，滑塊所受的力就是重力的分力，讓滑塊滑過軌道中間的兩個光電門，記錄經(jīng)過光電門的速度和兩個光電門的距離，根據(jù)公式x=(v2－v02)/2a可以求出加速度的大小，從而可以得到加速度和力的關(guān)系．
師：好的，在進行實驗之前還應(yīng)該先設(shè)計自己的實驗表格來記錄一下自己的實驗數(shù)據(jù)．那么你是怎樣設(shè)計表格使你的實驗數(shù)據(jù)得以記錄的呢?
生1：水平面長木板與小車，車后用繩控制小車運動，兩車質(zhì)量相同．表格設(shè)計如下：
參考表格
小車l 小車2
次數(shù) 拉車砝碼(s) 位移x1／cm 拉車砝碼(s) 位移x2／cm
1
2
3
4
5
生2：用一輛小車，測量加速度
次數(shù) 拉車砝碼(g) 加速度a1 拉車砝碼(e) 加速度a2
1
2
3
4
5
師：好，現(xiàn)在大家就根據(jù)自己設(shè)計的方案進行實驗，把數(shù)據(jù)填人設(shè)計的表格內(nèi)．
學(xué)生進行實驗，老師巡回指導(dǎo)，幫助實力較弱的小組完成實驗
師：現(xiàn)在請各小組簡要進行一下實驗報告．
組1生1：我們根據(jù)課本上的參考案例進行了實驗，因為已知小車的加速度和位移成正比，通過驗證位移和受力之間的關(guān)系，即可得出加速度和受力的關(guān)系．
師：實驗數(shù)據(jù)是怎樣進行處理的呢?
組1生2：我用的是位移和對應(yīng)力的比值．
組1生3：通過我們的討論，我們發(fā)現(xiàn)用作圖的方法能更好地表示位移(即加速度)和力的關(guān)系．關(guān)系圖表如圖4?2?3所示；可得在研究物體質(zhì)量不變的情況下，物體的加速度與物體所受的外力成正比．
組2生：我們通過處理小車后面的紙帶，計算出小車的加速度，通過作圖驗證了小車的加速度和物體所受的合力成正比．組3生：我們用氣墊導(dǎo)軌作出的加速度和所受力的關(guān)系圖象，實驗結(jié)論是圖象非常接近一條過原點的直線．
師：大家做得都非常好，那么你們在實驗中遇到的困難是什么呢?能不能想出辦法來克服?
組1生：當(dāng)拉小車的砝碼的質(zhì)量較大時，繩子容易打滑，從而影響了位移的測量．我們用松香涂抹在繩子上，效果不錯．
組2生：我們在做實驗時發(fā)現(xiàn)了這樣一個問題，即當(dāng)砝碼的質(zhì)量和小車的質(zhì)量差不多時，a?F圖象不能再是一條直線，而是發(fā)生了彎曲．
師：這組同學(xué)的問題非常好，實際上砝碼和盤的重力并不嚴(yán)格等于小車受到的拉力，簡單證明如下：設(shè)砝碼及盤的質(zhì)量為m，小車的質(zhì)量為M，則分別對它們進行受力分析，對小車，受拉力和摩擦力，對砝碼和盤，受重力和拉力，那么它們之間的關(guān)系是什么呢?如果相等，根據(jù)物體受合力為零則物體做勻速運動，而實際上砝碼及盤實際的運動應(yīng)該是做加速運動，所以說重力和拉力并不相等，而是應(yīng)該重力大于拉力，而我們在實驗中認(rèn)為二者相等，所以實驗的誤差有一部分來源于此．控制的方法就是盡可能地使砝碼和盤的質(zhì)量遠小于小車及砝碼的質(zhì)量，具體的分析方法我們將在下一節(jié)學(xué)到．
組3生：雖然用氣墊導(dǎo)軌做實驗結(jié)果比較精確，但實驗數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜．
師：我們可以用計算機進行數(shù)據(jù)處理，使數(shù)據(jù)處理變得簡單化，大家在課下討論一下看如何用數(shù)據(jù)處理軟件處理實驗中得到的數(shù)據(jù)．
師：以上我們是通過控制物體的質(zhì)量不變來探究物體的加速度與物體所受力之間的關(guān)系，下面同學(xué)們繼續(xù)做實驗，通過控制物體所受的力不變來探究物體的加速度和質(zhì)量的關(guān)系．
二、加速度與質(zhì)量的關(guān)系
學(xué)生進行實驗，老師巡回指導(dǎo)，幫助實力較弱的小組實現(xiàn)實驗
由于和以上的實驗方法非常類似，所以可以直接讓學(xué)生得出結(jié)論．
師：大家得出的結(jié)論是什么?
生：物體加速度在物體受力不變時，和物體的質(zhì)量成反比．
師：這時候我們應(yīng)該怎樣通過圖象來驗證問題呢?
生：我們?nèi)绻鱝?M圖象則圖象是曲線，我們可以作a?1／M圖象來解決這個問題，物體的加速度和質(zhì)量成反比，所以a?1／M圖象應(yīng)該是一條過原點的直線．
三、由實驗結(jié)果得出的結(jié)論
師：通過大家的實驗，排除誤差的影響，大家討論總結(jié)一下加速度和物體所受的力以及物體質(zhì)量之間的關(guān)系．
[分組討論]
生1：我們可以得出這樣的結(jié)論：物體的加速度和物體所受的力成正比，和物體的質(zhì)量成反比．
生2：應(yīng)該是和物體所受的合力成正比．
生3：我想力是矢量，加速度也是矢量，加速度的方向應(yīng)該和物體所受力的方向相同．
師：(總結(jié))大家的發(fā)言非常好，那么我們得出的結(jié)論是不是一個定理性的結(jié)論呢?僅靠少量的實驗是不行的，應(yīng)該通過更為精確的實驗和更多次的實驗進行證明，不過我們大家在現(xiàn)有水平下能夠得出這個結(jié)論是非常了不起的，這是我們下節(jié)課要學(xué)的牛頓第二定律的內(nèi)容．
（四）反思總結(jié)、當(dāng)堂檢測
在水平路面上，一個大人推一輛重車，一個小孩推一輛輕車，各自做勻加速運動(阻力不計)．甲、乙兩同學(xué)在一起議論，甲同學(xué)說：大人推力大，小孩推力小，因此重車的加速度大．乙同學(xué)說，重車質(zhì)量大，輕車質(zhì)量小，因此輕車的加速度大．你認(rèn)為他們的說法是否正確?請簡述理由．
答：甲、乙兩同學(xué)的結(jié)論和理由都不全面和充分，物體的加速度決定于物體所受的合外力和物體的質(zhì)量．大人的推力雖然大，但車的質(zhì)量也大，因此重車的加速度也不一定就大．小車的質(zhì)量小，但是小孩的推力也小，因而輕車的加速度也不一定大．判斷誰的加速度大，必須看各自的質(zhì)量和合外力．
[小結(jié)]
本節(jié)我們學(xué)習(xí)了：
1．力是物體產(chǎn)生加速度的原因．
2．用控制變量法探究物體的加速度與合外力、質(zhì)量的關(guān)系；設(shè)計實驗的方法．
3．物體的質(zhì)量一定時，合外力越大，物體的加速度也越大；合外力一定時，物體的質(zhì)量越大，其加速度越小，且合外力的方向與加速度的方向始終一致．
4．實驗數(shù)據(jù)的處理方法．
九、板書設(shè)計
表格 數(shù)據(jù)分析
十、教學(xué)反思
學(xué)生實驗控制比較難，可能出現(xiàn)各種情況，課前教師應(yīng)做好充分準(zhǔn)備
必修一 4.2實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系學(xué)案
課前預(yù)習(xí)學(xué)案
一、預(yù)習(xí)目標(biāo)
實驗?zāi)康�，實驗思路，實驗方案，實驗結(jié)果的分析
二、預(yù)習(xí)內(nèi)容
1、一切物體總保持_______狀態(tài)或________狀態(tài)，除非__________________，這就是牛頓第一定律．牛頓第一定律揭示了運動和力的關(guān)系：力不是_________的原因，而是______________的原因．
2、物體的這種保持_________或__________的性質(zhì)叫做慣性，慣性是物體的____性質(zhì)．
三、提出疑惑
課內(nèi)探究學(xué)案
一、學(xué)習(xí)目標(biāo)
知識與技能
1．理解物體運動狀態(tài)的變化快慢，即加速度大小與力有關(guān)，也與質(zhì)量有關(guān)．
2．通過實驗探究加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系．
3．培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力．
過程與方法
1．指導(dǎo)學(xué)生半定量的探究加速度和力、物體質(zhì)量的關(guān)系，知道用控制變量法進行實驗．
2．學(xué)生自己設(shè)計實驗，自己根據(jù)自己的實驗設(shè)計進行實驗．
3．對實驗數(shù)據(jù)進行處理，看一下實驗結(jié)果能驗證什么問題，
情感態(tài)度與價值觀
1．通過探究實驗，培養(yǎng)實事求是、尊重客觀規(guī)律的科學(xué)態(tài)度．
2．通過實驗探究激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新精神．
3. 培養(yǎng)與人合作的團隊精神．
二、學(xué)習(xí)過程
1、兩車質(zhì)量相同．表格設(shè)計如下：
參考表格
次數(shù) 拉車砝碼(g) 加速度a1 拉車砝碼(e) 加速度a2
1
2
3
4
5
2、某次實驗用打點計時器交流電的頻率為50Hz，紙帶的記錄如圖4-2-9所示（使用圖4-2-3所示的裝置）,圖中前幾個點模糊,因此從A點開始每打五個點取一個計數(shù)點,其中B、C、D、E點的對應(yīng)速度vB=_____m/s, vC=_____m/s, vD=_____m/s, vE=_____m/s,由此測得小車的加速度是多大？
三、反思總結(jié)
本節(jié)我們學(xué)習(xí)了：
1．力是物體產(chǎn)生 的原因．
2．用 探究物體的加速度與合外力、質(zhì)量的關(guān)系；設(shè)計實驗的方法．
3．物體的質(zhì)量一定時， 越大，物體的 也越大；合外力一定時，物體的 越大，其 越小，且合外力的方向與加速度的方向 。
4．實驗數(shù)據(jù)的處理方法．
四、當(dāng)堂檢測
1． 外力是使物體產(chǎn)生_____________的原因．物體運動狀態(tài)發(fā)生改變時，物體一定具有___________，物體一定受到____________的作用．
2． 質(zhì)量一定時物體的加速度與它所受的外力成 ；外力一定時加速度與物體的質(zhì)量成 。
3． 某兩個同學(xué)用圖4-2-6所示的裝置（圖中A為小車，B為帶滑輪的長木板，C為水平桌面），分別在《探究加速度與外力間的關(guān)系》實驗中，各自得到的圖象如圖4-2-6中甲和乙所示，則出現(xiàn)此種現(xiàn)象的原因甲是 ，乙是 ．
五、課后練習(xí)與提高
1． 在保持質(zhì)量不變時加速度與物體受力間關(guān)系的實驗中（使用圖4-2-7所示的裝置），小車質(zhì)量M和砝碼質(zhì)量m分別選取下列四組值．
A．M=500g，m分別為50g、70g、100g、125g
B．M=500g，m分別為20g、30g、40g、50g
C．M=200g，m分別為50g、75g、100g、125g
D．M=200g，m分別為30g、40g、50g、60g
若其它操作都正確，那么在選用 組值測量時所畫出的圖線較準(zhǔn)確．在選用此組值，m取 g時實驗誤差較大．
2． a、b、c、d四位同學(xué)在做《驗證牛頓第二定律》的實驗（使用圖4-2-6所示的裝置），設(shè)小車質(zhì)量和車上砝碼質(zhì)量之和為M，砂及砂桶的總質(zhì)量為m，分別得出如圖4-2-7中a、b、c、d四條圖線，其中圖a、b、c是a?F圖線，圖d是a?1/M圖線，則以下列說法中正確的是： （ ）
A．a(chǎn)和b較好地把握了實驗條件M遠大于m
B．c和d則沒有把握好實驗條件M遠大于m
C．a(chǎn)同學(xué)長木板的傾角太小，而b同學(xué)長木板傾角太大
D．a(chǎn)、b、c三同學(xué)中，c同學(xué)較好地完成了平衡摩擦力的操作
3．關(guān)于力和運動的關(guān)系,下列說法中正確的是( )
A.物體的速度不斷增大,表示物體必受力的作用
B.物體的位移不斷增大,表示物體必受力的作用
C.物體朝什么方向運動,則這個方向上物體必受力的作用
D.物體的速度大小不變,則其所受的合力必為零
4．某同學(xué)在做“當(dāng)外力一定時，加速度和質(zhì)量的關(guān)系”的實驗時，得到下表中的實驗數(shù)據(jù)：
（1）請使用a-1/m圖象來處理這些數(shù)據(jù)，并說明為什么不用a-m圖象來處理數(shù)據(jù)。
（2）根據(jù)作出的圖象，可以得到的結(jié)論是小車的加速度與它的 ．
答案
學(xué)習(xí)過程 2、 0.253m/s 0.328m/s 0.403m/s 0.478m/s 0.75m/s2
當(dāng)堂檢測 1、加速度、加速度、外力
2、正比，反比
3、平衡摩擦力時，木板傾角過大；平衡摩擦力時，木板傾角太小
課后練習(xí)與提高 1、B 50
2、ACD
3、A
4、圖略，質(zhì)量成反比
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