－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 學(xué)案.doc

4.2 實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系 學(xué)案要點(diǎn)導(dǎo)學(xué)1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄考铀俣扰c外力、質(zhì)量三者的關(guān)系。這個探究目的是在以下兩個定性研究的基礎(chǔ)上建立起的。（1）小汽車和載重汽車的速度變化量相同時，小汽車用的時間短，說明加速度的大小與物體的質(zhì)量有關(guān)。（2）競賽用的小汽車與普通小轎車質(zhì)量相仿，但競賽用的小車能獲得巨大的牽引力，所以速度的變化比普通小轎車快，說明加速度的大小與外力有關(guān)。2實(shí)驗(yàn)思路：本實(shí)驗(yàn)的基本思路是采用控制變量法。（1）保持物體的質(zhì)量不變，測量物體在不同外力作用下的加速度，探究加速度與外力的關(guān)系。探究的方法采用根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖象的方法，也可以彩比較的方法，看不同的外力與由此外力產(chǎn)生的加速度的比值有何關(guān)系。（2）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，探究加速度與力的關(guān)系。探究的方法采用根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖象的方法。3實(shí)驗(yàn)方案：本實(shí)驗(yàn)要測量的物理量有質(zhì)量、加速度和外力。測量質(zhì)量用天平，需要研究的是怎樣測量加速度和外力。（1）測量加速度的方案：采用較多的方案是使用打點(diǎn)計(jì)時器，根據(jù)連續(xù)相等的時間t內(nèi)的位移之差x=at2求出加速度。條件許可也可以采用氣墊導(dǎo)軌和光電門。教材的參考案例效果也比較好。（2）提供并且測量物體所受的外力的方案：由于我們上述測量加速度的方案只能適用于勻變速直線運(yùn)動，所以我們必須給物體提供一個恒定的外力，并且要測量這個外力。教材的參考案例提供的外力比較容易測量，采用這種方法是不錯的選擇。4 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。如果根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描出的a-f圖象和a-1/m圖象都非常接近一條通過原點(diǎn)的直線，也只能說我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是“在質(zhì)量不變的條件下，加速度與外力成正比；在外力不變的條件下，加速度與質(zhì)量成反比。”這一結(jié)果決不能說找出了定律，一個定律的發(fā)現(xiàn)不可能是幾次實(shí)驗(yàn)就能得出的。 范例精析例1 在圖4-2-1中，一個乒乓球向運(yùn)動員飛，運(yùn)動員可以用球拍突然改變乒乓球的速度大小和方向。如果換一個排球向運(yùn)動員飛，運(yùn)動員仍然用球拍擊球，其結(jié)果與擊乒乓球有何不同？簡述理由。 解析 單手用球拍擊排球，我們可能沒有試過，但是相信單手擊排球的經(jīng)歷都會有過。生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們，改變排球的速度大小與方向要比改變乒乓球的速度大小與方向難得多。用乒乓球拍擊排球，排球的速度大小和方向都很難控制。原因是排球的慣性比乒乓球大得多。 拓展 如果說排球運(yùn)動員也能自如地控制排球的速度大小和方向，那么排球運(yùn)動員擊球的力量肯定比乒乓球運(yùn)動員擊球的力量大得多。在球類運(yùn)動中，運(yùn)動員用多大的力，使球產(chǎn)生多大的加速度；運(yùn)動員用什么方向的力，使球產(chǎn)生什么方向的加速度，是一個重點(diǎn)研究的問題。例2用力圖4-2-2所示的實(shí)驗(yàn)裝置能否探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系？能否探究加速度與外力的關(guān)系？如果可以請說明操作步驟，如果不可以請簡述理由。 解析 用此實(shí)驗(yàn)裝置可以定性地探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，操作步驟如下：把兩輛完全相同的小車放在水平地面上，讓二個體重不同的同學(xué)各站在一個玩具滑板車上，通過手相互對推，測量他們從分手到靜止各自位移的值x1 和x2，根據(jù)2ax=vt2就可以他們分手時各自的速度v1和v2各是多少，誰的速度大，他獲得的加速度就大。由于兩位同學(xué)和小車所受的外力是相同的，只要測量出小車和兩位同學(xué)的質(zhì)量，就能定性比較加速度與質(zhì)量的關(guān)系。如果兩人的質(zhì)量相同，因?yàn)橄嗷プ饔每偸窍嗤?，只能?yàn)證相同質(zhì)量相同外力時加速度也相同，這是本裝置的缺點(diǎn)。 拓展 也可以用如圖4-2-3所示的斜面和小車做實(shí)驗(yàn)研究加速度與外力的關(guān)系。選擇摩擦阻力很小的小車和長木板（兩長木板長度相等）。調(diào)整兩車同時靜止釋放的起始位置，使兩車在斜面的對接處相遇。如果兩車的質(zhì)量相等，只要測量斜面末端的高度h1 和h2和小車各自的位移，就可以比較質(zhì)量相同時加速度與外力的關(guān)系。這個裝置的缺點(diǎn)是不能研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系。例3通過那些方法可以驗(yàn)證a與f的正比關(guān)系?經(jīng)驗(yàn)告訴我們在相同力的作用下，質(zhì)量m越大，加速度a越小，這可能是“a與m成反比”或“a與m2成反比”等等，有何辦法知道a與m成反比? 解析 直接驗(yàn)證：比例法：驗(yàn)證f1/f2=a1/a2 或 f1/a1=f2/a2 圖象法：作af圖象，看其是否為過原點(diǎn)的直線 間接驗(yàn)證：根據(jù)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，兩車同時運(yùn)動，同時停止，具有相同的運(yùn)動時間，因?yàn)閤=at2 /2，所以 x1/x2=a1/a2由此可見只要驗(yàn)證x與f的正比關(guān)系即可。 例4圖4-2-4是某同學(xué)利用教材提供的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，正要打開夾子時的情況。指該同學(xué)的幾個錯誤。 解析 未平衡摩擦力。應(yīng)用交流電。拉小車的細(xì)線應(yīng)與木板應(yīng)平行。小車應(yīng)靠近打點(diǎn)計(jì)時器。打點(diǎn)計(jì)時器置于木板右邊 例5 某學(xué)生用圖4-2-4所示的裝置做實(shí)驗(yàn)時，保持小車的質(zhì)量不變，測得小車的加速度a和拉力f的數(shù)據(jù)如下表所示： f / n0.200.300.400.50a / ms-20.100.210.290.40 根據(jù)表中的數(shù)據(jù)在圖4-2-5中作出a-f圖線。（1）把圖線延長，看看圖線是否通過原點(diǎn)？如果不通過原點(diǎn)，試分析在操作過程中可能遺漏了哪個步驟？（2）這條圖線在f軸上截距有何物理意義？ 解析 根據(jù)表中數(shù)據(jù)描出的點(diǎn)和作出的圖象見圖4-2-4，圖象并沒有通過原點(diǎn)。由圖象可以看出，當(dāng)f=0.1n時a=0，說明小車受到的摩擦力為0.1n。操作過程中可能遺漏了平衡摩擦力這一步驟。 拓展 如果測出的圖象在縱軸上的截距大于零，則說明f=0時a0，產(chǎn)生的原因可能是平衡摩擦力時木板傾斜角過大。 能力訓(xùn)練1 外力是使物體產(chǎn)生_的原因物體運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變時，物體一定具有_，物體一定受到_的作用加速度、加速度、外力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 。正比，反比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(shí)驗(yàn)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 平衡摩擦力時，木板傾角過大；平衡摩擦力時，木板傾角太小4 在保持質(zhì)量不變時加速度與物體受力間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)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am=500g，m分別為50g、70g、100g、125gbm=500g，m分別為20g、30g、40g、50gcm=200g，m分別為50g、75g、100g、125gdm=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(shí)驗(yàn)誤差較大b 505 a、b、c、d四位同學(xué)在做驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)（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af圖線，圖d是a1/m圖線，則以下列說法中正確的是： （ acd ）aa和b較好地把握了實(shí)驗(yàn)條件m遠(yuǎn)大于mbc和d則沒有把握好實(shí)驗(yàn)條件m遠(yuǎn)大于mca同學(xué)長木板的傾角太小，而b同學(xué)長木板傾角太大da、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6關(guān)于力和運(yùn)動的關(guān)系,下列說法中正確的是( a ) 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(yùn)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 7物體速度改變有幾種情況?在每種情況下，合外力對物體作用的效果如何? 物體速度改變指速度的大小或方向或大小和方向的改變臺外力不為零時,可改變物體運(yùn)動的速度,使物體產(chǎn)生加速度 8 某次實(shí)驗(yàn)用打點(diǎn)計(jì)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(diǎn)模糊,因此從a點(diǎn)開始每打五個點(diǎn)取一個計(jì)數(shù)點(diǎn),其中b、c、d、e點(diǎn)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？0.253m/s 0.328m/s 0.403m/s 0.478m/s 0.75m/s29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(shí)驗(yàn)時，得到下表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：（1）請使用a-1/m圖象處理這些數(shù)據(jù)，并說明為什么不用a-m圖象處理數(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 圖略，質(zhì)量成反比10如圖4-2-10所示是甲、乙兩個物體運(yùn)動的v-t圖象,根據(jù)圖象回答：（1）哪個物體加速度大?（2）哪個物體速度變化快?（