新教材物理人教版教案第四章運動和力的關系第二節(jié)實驗探究加速度與力質量的關系教案

2.實驗：探究加速度與力、質量的關系1．會做“探究加速度與力、質量的關系”實驗。2．學會用“控制變量法”探究加速度與力、質量的定量關系。3．會用圖像表示加速度與力、加速度與質量之間的關系，能根據實驗數據得出實驗結論。4．會分析實驗中的誤差，能采取合理方法減小實驗誤差，了解實驗創(chuàng)新的方法及原理。eq\o(□,\s\up4(1))速度是描述物體運動狀態(tài)的物理量，eq\o(□,\s\up4(2))加速度是描述速度變化快慢的物理量。因此也可以說，eq\o(□,\s\up4(3))加速度是描述物體運動狀態(tài)變化快慢的物理量。eq\o(□,\s\up4(4))力是改變物體運動狀態(tài)的原因，eq\o(□,\s\up4(5))質量大的物體運動狀態(tài)不容易改變。這說明，eq\o(□,\s\up4(6))加速度與eq\o(□,\s\up4(7))力、eq\o(□,\s\up4(8))質量存在一定的關系。2．實驗思路(1)探究方法——eq\o(□,\s\up4(9))控制變量法。裝置如圖所示。①保持eq\o(□,\s\up4(10))小車質量不變，通過改變槽碼的個數改變eq\o(□,\s\up4(11))小車所受的拉力，探究加速度與拉力的定量關系。②保持eq\o(□,\s\up4(12))小車所受的拉力不變，通過在小車上增加重物改變eq\o(□,\s\up4(13))小車的質量，探究加速度與質量的定量關系。(2)要測量的物理量①小車和放在小車上的砝碼的總質量M。②小車受的拉力F(槽碼的重力)。③小車的eq\o(□,\s\up4(14))加速度a。3．實驗器材eq\o(□,\s\up4(15))打點計時器、紙帶、復寫紙、小車、eq\o(□,\s\up4(16))一端附有定滑輪的長木板、槽碼若干個、夾子、細繩、低壓eq\o(□,\s\up4(17))交流電源、導線、天平(帶有一套砝碼)、eq\o(□,\s\up4(18))刻度尺。課堂任務探究過程·獲取數據仔細觀察下列圖片，認真參與“師生互動”。活動1：參考圖甲，本實驗需要測量的物理量有哪些？提示：小車的質量、小車所受的作用力和小車運動的加速度?；顒?：小車的質量用天平測量即可?；仡欉\動學的知識，你知道哪幾種測量或比較小車加速度的方法？提示：如果小車做初速度為0的勻加速直線運動，則用刻度尺測量位移并用秒表測量時間，然后由a＝eq\f(2x,t2)算出。也可以在小車上安裝一條打點計時器的紙帶，根據紙帶上打出的點來測量加速度。也可以不測加速度的具體數值，測量不同情況下(即受力不同或質量不同時)小車加速度的比值，由于a＝eq\f(2x,t2)，如果測出兩個做初速度為0的勻加速直線運動的小車在相同時間內發(fā)生的位移x1、x2，則eq\f(a1,a2)＝eq\f(x1,x2)。活動3：為了測量小車受到的力，本實驗中為小車提供一個恒定的合力很關鍵。如圖甲所示，什么情況下繩子對小車的牽引力近似等于槽碼的重力？提示：當槽碼的質量比小車的質量小很多時?；顒?：實際做實驗時為什么采用乙圖，而不采用甲圖？提示：甲圖中，小車在運動方向受到細線的拉力和木板對小車的摩擦力，如果后面拖著紙帶，還受到打點計時器對小車的阻力，后兩個力是未知的。如圖乙所示，將木板未安裝定滑輪的一端墊高，使小車的重力沿木板向下的分力等于小車受到的阻力，則繩子的拉力就是小車受到的合力。阻力恰好被平衡的判別方法是小車不受牽引時能拖動紙帶沿木板勻速運動。活動5：按圖乙所示，調整好實驗裝置后，如何進行實驗并記錄數據？提示：(1)探究加速度與力的關系保持小車的質量一定，通過增減槽碼的個數來改變小車所受的拉力，根據紙帶上打出的點來測出相應的加速度，將數據填在表1中。表1小車質量一定(2)探究加速度與質量的關系保持小車所受拉力不變(即槽碼的個數一定)，通過增減在小車中的重物(即增減在小車中的砝碼)來改變小車的質量，根據紙帶上打出的點測出相應的加速度，將數據填在表2中。表2小車所受的拉力一定活動6：本實驗有哪些注意事項？提示：(1)打點前小車應靠近打點計時器，且應先接通電源，后釋放小車。(2)在補償阻力時，連接小車細繩的一端不要懸掛槽碼，小車的另一端應連著紙帶且接通電源。用手輕輕地推一下小車，給小車一個初速度，如果在紙帶上打出的點的間隔均勻，表明小車受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡。整個實驗補償了阻力后，不管以后改變槽碼的重力或改變小車的質量，都不需要重新補償阻力。(3)改變槽碼重力的過程中，要始終保證槽碼的質量遠小于小車的質量。測出槽碼的重力，它近似地等于小車受到的拉力。課堂任務分析數據·得出結論活動1：本實驗用什么方法分析記錄實驗數據比較好？如何對數據進行分析？提示：因為圖像比較直觀，所以最好用圖像法來分析數據。對數據進行分析如下：(1)分析a與F的關系：通過觀察記錄的數據發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)越大，a越大，首先猜想a與F成正比。以加速度a為縱坐標，力F為橫坐標，根據測量數據描點，然后作出圖像。如圖所示，若圖像是一條通過原點的直線，就能說明a與F成正比。如果不是這樣，則需進一步分析。(2)分析a與m的關系：通過觀察記錄的數據發(fā)現(xiàn)，m越大，a越小，這可能是a與m成反比，也可能是a與m2成反比，甚至是更復雜的關系，需要通過作圖來判定。先作出a-m圖像，如圖甲所示，因為a-m圖像是曲線，由圖像可定性地判斷出a隨m的增大而減小，而不能判斷二者的具體關系。我們采取“化曲為直”的方法，以a為縱坐標，以eq\f(1,m)為橫坐標，作出a-eq\f(1,m)圖像，如圖乙所示，若a-eq\f(1,m)圖像是一條過原點的直線，說明a與eq\f(1,m)成正比，即a與m成反比。如果不是這樣，則需進一步分析?；顒?：通過對實驗數據的分析，你能得到什么結論？提示：在質量一定時，物體的加速度與它所受到的合力成正比；在合力一定時，物體的加速度與它的質量成反比。課堂任務誤差分析·實驗創(chuàng)新1．誤差分析實驗中存在誤差，實驗誤差的產生原因與減小方法如下表：2．實驗創(chuàng)新上面的實驗方案是根據紙帶上打出的點測量加速度，我們稱為方案一。從加速度的測量、力的測量方面都可以進行實驗創(chuàng)新，下面以加速度的測量為例介紹兩種方案。方案二根據初速度為0的勻加速直線運動滿足關系式a＝eq\f(2x,t2)，故只要用刻度尺測出物體的位移，并用秒表測出物體運動的時間，也可以算出加速度。但是由于人的反應時間較長，時間的測量誤差較大，該方案實際不可行(如果有自動計時的精密儀器，本方案也可以)。方案三本實驗只是探究加速度與其他量的比例關系，因此也可以不測量加速度的具體數值。由初速度為0的勻加速直線運動滿足關系式a＝eq\f(2x,t2)，可知運動時間相同時，加速度與位移成正比，即eq\f(a1,a2)＝eq\f(x1,x2)，由位移之比即可算出加速度之比。如圖所示，通過抬起和按下黑板擦，使兩小車運動相同的時間，這樣也避免了秒表計時的誤差，通過測量兩小車的位移并計算其位移之比就可以得出加速度之比。課堂任務典例探究·提升能力例某同學用如圖甲所示的實驗裝置來“探究a與F、m之間的定量關系”：(1)實驗時，必須先補償小車受到的阻力，關于補償阻力的操作方法，下列說法正確的是________。A．要保持砂桶和小車始終相連B．逐漸墊高木板右側，直到小車恰好開始滑動C．逐漸墊高木板右側，直到輕推小車能讓小車恰好勻速滑動D．每次改變小車內砝碼的數量，都要重新進行阻力補償(2)如果該同學補償了阻力，保持小車的質量M不變，多次改變砂桶與砂的總重力Feq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(砂的質量最大為\f(1,3)M))，分別測量小車的加速度a，根據得到的數據，在a-F坐標系中描點得到的圖像應如圖乙中的________，簡述你的判斷依據：_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(3)該同學又設計了如圖丙所示的裝置來進行實驗。在自制的雙層架子上固定帶有刻度標記的木板，架子放在水平桌面上，兩輛相同的小車質量均為M(足夠大)，兩個相同的托盤質量均為m0，每個砝碼的質量均為m。實驗主要操作步驟如下：①補償小車受到的阻力；②讓兩輛小車緊靠右邊的擋板，記下小車前端刻度尺讀數s0，在與小車B連接的托盤中放入1個砝碼，在與小車A連接的托盤中放入2個砝碼；③同時釋放兩小車，當小車運動一段時間后(未到滑輪處)，用對整個裝置進行拍照，讀出照片中A、B小車前端刻度尺讀數，分別為s1、s2。根據本實驗方案的原理，在本次實驗中驗證表達式________________(用題中所給物理量表示)成立，多次實驗后即可驗證“物體質量一定時，加速度與所受合外力成正比”。(1)補償阻力的操作是什么？提示：不掛重物，墊高木板上固定有打點計時器的一側，調節(jié)木板的傾斜度直至輕推小車，小車后面連接的紙帶打出的點跡均勻，即小車做勻速運動。(2)實驗中對所掛砂桶(含砂)的質量有什么要求？提示：砂和砂桶的總質量要遠小于小車的質量。[規(guī)范解答](1)補償阻力的方法是，不掛砂和砂桶，讓小車與紙帶相連，墊高木板右側直到輕推小車，小車在斜面上恰好做勻速直線運動，A、B錯誤，C正確；每次改變小車內砝碼的數量，都不需要重新補償小車受到的阻力，D錯誤。(2)如果已經補償了阻力，則F較小時a-F的圖像是一條過原點的直線，砂桶與砂的質量太大時，不能滿足砂和砂桶的質量遠遠小于小車的質量，此時圖線發(fā)生彎曲，C正確，A、B、D錯誤。(3)已知兩小車運動的時間相同，根據s＝eq\f(1,2)at2，可得：a1＝eq\f(2s1－s0,t2)、a2＝eq\f(2s2－s0,t2)，又知托盤和砝碼的重力等于小車受到的拉力，若eq\f(s1－s0,s2－s0)＝eq\f(m0＋2m,m0＋m)，則eq\f(m0＋2mg,m0＋mg)＝eq\f(a1,a2)，即表明小車的質量一定時，小車的加速度與其受到的合力成正比。[完美答案](1)C(2)C補償了阻力，當F較小時，a與F成正比，圖線為過原點的直線；當F太大時，砂和砂桶的質量不再遠小于小車的質量，圖線不再為直線(3)eq\f(s1－s0,s2－s0)＝eq\f(m0＋2m,m0＋m)小車受到的阻力包括木板對小車的阻力和打點計時器對小車的阻力，故補償阻力時，需調節(jié)木板的傾斜度，使小車在不受牽引時能拖動紙帶沿木板勻速運動。eq\a\vs4\al([變式訓練])“探究加速度與物體質量、物體受力的關系”的實驗裝置如圖甲所示。(1)在補償小車受到的阻力的過程中，打出了一條紙帶如圖乙所示。計時器打點的時間間隔為0.02s，從比較清晰的點起，每5個點取一個計數點，量出相鄰計數點之間的距離。該小車的加速度a＝________m/s2。(結果保留兩位有效數字)(2)補償阻力后，將5個相同的砝碼都放在小車上，掛上砝碼盤，然后每次從小車上取一個砝碼添加到砝碼盤中，測量小車的加速度。小車的加速度a與砝碼盤中砝碼總重力F的實驗數據如下表：砝碼盤中砝碼總重力F/N加速度a/(m·s－2)請根據實驗數據在圖丙中作出a-F的關系圖像。(3)根據提供的實驗數據作出的a-F圖線不經過坐標原點，請說明主要原因：____________________。答案(1)0.16(0.15也正確)(2)圖見解析(3)未計入砝碼盤的重力解析(1)每5個