2. 探究加速度与力、质量的关系主要内容及教案内容

探究加速度与力、质量的关系教学设计

金堂县高板中学校 兰梅

教学目标

（一）知识与技能：

1.理解物体运动状态的变化快慢，即加速度大小与力有关，也与质量有关。

2.通过实验探究加速度与力和质量的定量关系。

3.培养学生动手操作能力，体会整个探究过程的科学严谨。

（二）过程与方法

1.使学生掌握在研究三个物理量之间关系时，用控制变量法实现，引导学生根据原理去设计实验。

2.引导学生分析数据表格，处理实验数据，得出结论。

（三）情感态度与价值观

1.通过实验探究激发学生的求知欲和创新精神，养成实事求是的科学态度，体验探索自然规律的艰辛与喜悦。

2.培养学生的合作意识，相互学习、交流、共同提高的学习方法和精神。

教学重点

1.实验基本思想。

2.怎样求物体的加速度、怎样提供和测量物体所受的合力。

教学难点

指导学生选器材，设计方案，进行实验，作出图象，得出结论。

教材分析

牛顿第二定律是动力学的核心规律，是本章中心内容，也是整个高中物理的重点学习内容，而探究加速度与力和质量的关系就是让学生亲身体验探究过程，为学习牛顿第二定律作重要铺垫.。教材突出了对学生探究性试验能力的培养，渗透了理论联系实际的方法观点，引导学生动手、动脑进行设计研究，体会通过控制变量来研究物理规律的重要方法，并激发学生的求知欲，对提高学生的实践能力有积极作用。

教学过程

知识回顾：牛顿第一定律表明维持物体的运动（或速度）不需要力，力是改变物体运动状态的原因。惯性是物体维持原来运动状态的原因，质量越大，惯性大，维持原来状态的本领就越大（物体运动状态难以改变）。当物体受到了力，那么物体在这个力（外因）和惯性（内因）共同决定的情况下，物体的状态到底该如何变化呢？现在我们带着这些问题，进入本节的学习——探究加速度与力、质量的关系。

1

导入新课

多媒体播放学生吹纸片和石头、推箱子的画面。

小组交流讨论：

通过以上画面看到的现象：用较小的力吹小石头，小石头几乎不动，用较大的力吹小石头，小石头被吹出了桌面；用力吹放在桌面的纸片、小石头和大石头，大石头不动，小石头移动了一定距离，纸片飞出了桌面。

另一位同学用同样大小的力推空箱子和装满书的箱子，结果空箱子被推出很远的距离。

这是为什么呢？

问题引导：物体运动状态的改变是指哪个物理量的改变？标志物体运动状态变化快慢的物理量是什么？

回答：物体运动状态的改变是指速度的改变，加速度是反映物体运动状态变化快慢的物理量。

并根据所学知识及日常见闻实例猜测一下：加速度的大小与哪些物理量有关？

请学生大胆猜想：加速度的大小与物体的受力、质量有关，合力大，加速度大，质量大，加速度小。

通过实例可定性地说明它们三者之间的关系，使学生获得感性认识，为下一步定量研究作好铺垫。下面我们来定量探究一下这三个量之间的关系。

加速度的大小与物体的受力和物体的质量有关，那么我们应用什么方法来研究加速度的大小与物体的受力和物体的质量之间的定量关系呢？

小组交流讨论：可以先研究加速度与物体受力的关系，再研究加速度与物体的质量的关系。

总结：当研究三个物理量之间的关系时，先要保持某个量不变，研究另外两个量之间的关系，再保持另一个量不变时，研究其余两个量之间的关系，然后综合起来得出结论。这种研究问题的方法叫控制变量法，是物理学中研究和处理问题时经常用到的方法。

下面通过控制变量法研究一下加速度与物体受力和质量的关系。

一、加速度与力的关系

实验的基本思路：保持物体的质量不变，测量不同力下的加速度，分析加速度与力的关系。

让学生阅读教材74-75页，设计实验方案。

问题引导：1、怎样测量小车所受的合外力？

2、怎样平衡摩擦力？如何知道是否已经平衡摩擦力？是否每次改变物体质量都需要平衡摩擦力？

3、绳子的拉力与钩码的重力相等吗？

4、怎样改变和测量物体的质量？

5、怎样求加速度？

2

解决了以上问题，学生就能很快设计出实验方案，交流展示方案。

实验需要测量的物理量、需要的器材、数据的记录，独立完成并设计记录数据的表格。

实验器材：

小车、打点计时器、纸带、一端带滑轮的长木板、细线、砝码（钩码）、小盘、刻度尺、天平

实验操作过程：

2.实验数据的分析：根据定性分析判断结果：力越大，加速度越大，猜测a∝F。

（1）m一定，a与F的关系。设计表格，如：

次数

项目

F/N a/（m·s-2）

1

2

3

4

5

6

(2)建立坐标系如图1：

图1

（3）描点

（4）连线

通过得到的图线，分析a与F的关系.实验发现a-F图象是一条过原点的直线。

结论：

二、加速度与质量的关系

让学生阅读课本，明确以下两个方面的内容：

1.实验的基本思路：保持物体受力不变，测量不同质量下的加速度，分析加速度与质量的关系。

2.实验数据的分析：根据定性分析判断结果：质量越大，加速度越小，猜测a∝

（1）F一定，a与m的关系。设计表格，如：

3 1。

m

次数

项目

a/m·s-2 m/kg 1

2

3

4

5

6

1/kg-1

m

（2）建立坐标系如图2：a-m或a-1图像

m

图2

（3）描点

（4）连线

得到图线分析，分析a与m的关系。

（组织学生进行实验与收集证据，

主要要求学生能正确进行实验操作，会使用基本的实验仪器，能用多种方式收集数据。并且能做到如实记录实验数据，认识到科学收集实验数据的重要性。我进行适当引导以突破做好实验这个难点，培养学生的实验能力，加强学生探究能力。

根据课堂实际：为了增强学生做实验的目的性，引导学生分析以下内容：

这个实验需要测量的物理量有三个：物体的速度、物体所受的力、物体的质量.质量可用天平测量，本实验要解决的主要问题是怎样测量加速度和怎样提供与测量物体受到的力。

三、制定实验方案时的两个问题

图4-2-4 1、怎样测量（或比较）物体的加速度，你能想到哪些方法？让学生思考后回答：用如图4-2-4所示的装置：在一端有滑轮的长木板上，放一小车，通过细绳另一端的钩码拉小车。

（1）让物体做初速度为零的匀加速直线运动，用刻度尺测量物体运动的位移，用秒表测量出运动的时间，由x=12at公式算出。

2

（2）让物体做初速度为零的匀加速直线运动.在运动物体后安装一条通过打点计时器的纸带，根据纸带上打出的点来测量加速度. （3）直接用加速度计测量。

总结：这些方法的共同特点是直接测出了加速度的大小，我们要探究的是加速度与其他量之间的

4

比例关系，如果不直接测出加速度，我们能否找出加速度和质量之间的定量关系呢？

学生思考后回答：

①如果测出两个初速度为零的匀加速直线运动在相同时间内发生的位移x1、x2,位移之比就是加速度之比.

a1x1

a2x2

②如果测出两个初速度为零的匀加速直线运动物体在相同位移内所用时间t1、t2，时间比的平方就是加速度之比的倒数。

at

122

a2t12、怎样提供和测量物体所受的恒力？

现实中，除了真空中抛出或落下的物体（仅受重力）外，仅受一个力的物体几乎是不存在的.然而，一个单独的力的作用效果与跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的，因此，实验中力F的含义可以是物体所受的合力。那么，如何为一个运动的物体提供一个恒定的合力？如何测出这个合力呢？

交流讨论：用前边测加速度的器材，使物体做匀加速运动的力就是物体的合力，这个合力就等于钩码的重力。通过改变钩码的个数就可以改变物体所受的合力，通过测量钩码的重力就可测得物体所受的合力。

注意事项：

（1）在钩码质量远小于小车质量的条件下，钩码的重力大小才近似等于小车所受合力。（至于为什么，以后再讨论）

（2）小车在运动时还受到木板对它的滑动摩擦力，那么我们如何减小滑动摩擦力，使物体所受的合力尽可能接近钩码的重力？

学生交流讨论，大胆设想，并小组总结。

结论：（1）换用接触面光滑的木板。

（2）平衡滑动摩擦力。

方法：将木板一端垫高，让小车从木板上能匀速滑动。

根据上面讨论的内容选定自己的实验方案进行实验，记录实验数据。

学生进行分组实验，教师巡回指导。

四、怎样由实验结果得出结论

学生分组实验结束后，利用前面的方法处理实验数据，分析得出实验结论，让小组代表发言。

教师对各小组学生的实验方案、数据处理方法、实验结论等情况进行评价，让学生明确，只要设计方案合理，亲身体验探究过程，至于能否得出正确结果并不多么重要。

及时练习：

11．如果a－图象是通过原点的一条直线，则说明

(

) mA．物体的加速度a与质量m成正比

B．物体的加速度a与质量m成反比

C．物体的质量m与加速度a成正比

D．物体的质量m与加速度a成反比

2.关于“探究a与F、m的关系”的实验，下列说法中符合实际的是

(

) A. 通过同时改变小车的质量m及受到的拉力F的研究，能归纳出加速度、力、质量三者之间的关系

B. 通过保持小车质量不变，只改变小车的拉力的研究，就可以归纳出加速度、力、质量三者之间的关系

5 2

C. 通过保持小车受力不变，只改变小车质量的研究，就可以得出加速度、力、质量三者之间的关系

D. 先保持小车质量不变，研究加速度与力的关系；再保持受力不变，研究加速度与质量的关系，最后归纳出加速度、力、质量三者之间的关系

3.在“验证牛顿运动定律”的实验中，下列做法不正确的是

(

) A. 拉小车的细线应该与长木板平行

B. 小桶和沙的总质量应远小于小车的总质量

C. 平衡摩擦力时，必须通过细线挂上小桶和沙

D. 小车应紧靠打点计时器，先接通电源再释放小车

总结实验基本思想、步骤、器材、注意事项。

课后思考：

1．在“验证牛顿第二定律”的实验中，在研究加速度a与小车的质量M的关系时，由于没有注意始终满足M≫m的条件，结果得到的图象应是图中的

(

)

2.在探究“加速度与力、质量的关系”的活动中：

（1）某同学在接通电源进行实验之前，将实验器材组装如图所示。请指出该装置中的错误或不妥之处（填两处）：

a．__________________________

b．___________________________ （2）另有甲、乙、丙三位同学各自独立探究加速度与拉力的关系，在实验中保持小车质量m不变，如图(a)所示,是甲同学根据测量数据画出的加速度随拉力变化的图像，图线没有过原点表明： _

乙、丙同学用同一装置实验，在同一坐标系内画出了各自得到的图象如图（b）所示，说明两个同学做实验时的哪一个量取值不同？ 比较其大小 。

课后强化练习：

1．在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，某同学组装了如图所示的装置．下列说法中正确的是(

)

A.

小车释放时应靠近定滑轮

B.

平衡摩擦力时应将砝码盘与小车相连

C. 电磁打点计时器应使用低于6V的直流电源供电

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D. 砝码和砝码盘的总质量应远小于小车的质量

2．关于“探究加速度和力、质量之间的关系”的实验，以下说法正确的是

A. 在探究加速度和力的关系时，要同时改变小车质量大小

B. 实验中测量物体的加速度时一定要用秒表测时间

C. 实验中应保持小车的质量远大于钩码的质量 D. 实验中不需先平衡摩擦力直接进行实验

3．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中

（1）下述操作步骤中描述正确的是（____）

A．保持小桶里沙子的质量不变，在小车里加砝码，测出加速度，重复几次，研究a-m关系

B．为了使实验数据准确，必须满足小桶及桶内沙子的质量远小于小车质量

C．为了准确平衡摩擦力，在操作时必须挂上沙桶

D．根据测量的数据，为了便于分析，分别画出和的图线

（2）该实验中得到下列一段纸带, 如图所示,舍去前面点迹过于密集的部分，从

O开始每5个点取一个计数点，依次为A、B、C, 若测得小车的质量为300g, 不计摩擦对实验结果的影响。若量得OA = 5.54cm, AB = 6.79cm, BC = 8.04cm, 从而可以确定:

小车的加速度____________m /s2, 此时细绳对小车拉力为_____________N

4．如图(a)是“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置示意图。重力加速度取g。

(1)为了平衡小车受到的阻力，应适当抬高木板的________端(填“左”或“右”)。

(2)细砂和小桶的总质量为m，小车的质量为M，实验要求m________M(填“远大于”或“远小于”)。该实验的原理是在平衡小车受到的阻力后，认为小车受到的合外力是________，其值与真实值相比________(填“偏大”或“偏小”)，小车受到合外力的真实值为________。

(3)保持细砂和砂桶的质量不变，改变小车的质量M，分别得到小车的加速度a与其对应的质量M，处理数据的恰当方法是作________(填“a－M”或“a－1”)图象。

M(4)保持小车的质量不变，改变细砂的质量，甲、乙、丙三位同学根据实验数据分别作出了小车的加速度a随合外力F变化的图线如图(c)、(d)，(e)所示。

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图(c)中的图线上部出现了弯曲，偏离了原来的直线，其主要原因是___________________________。

图(d)中的图线不通过原点，其主要原因是______________________________。

图(e)中的图线不通过原点，其主要原因是________________________。

5．为了探究加速度与力的关系，使用如图所示的气垫导轨装置进行实验．其中G1、G2为两个光电门，它们与数字计时器相连，当滑行器通过G1、G2光电门时，光束被遮挡的时间Δt1、Δt2都可以被测量并记录，滑行器连同上面固定的一条形挡光片的总质量为M，挡光片宽度为D，光电门间距离为x，牵引砝码的质量为m.回答下列问题：

(1)实验开始应先调节气垫导轨下面的螺钉，使气垫导轨水平，在不增加其他仪器的情况下，如何判定调节是否到位？

答：________________________________________________________________________ (2)若取M＝0.4kg，改变m的值，进行多次实验，以下m的取值不合适的一个是________．

A．m1＝5g

B．m2＝15g C．m3＝40g

D．m4＝400g (3)在此实验中，需要测得每一个牵引力对应的加速度，其中求得的加速度的表达式为：________________________________________________________________________. (用Δt1、Δt2、D、x表示)

6．现要验证“当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一物理规律．给定的器材如下：一倾角可以调节的长斜面(如图)、小车、计时器一个、米尺．

(1)填入适当的公式或文字，完善以下实验步骤(不考虑摩擦力的影响)：

①让小车自斜面上方一固定点A1从静止开始下滑至斜面底端A2，记下所用的时间t. ②用米尺测量A1与A2之间的距离x，则小车的加速度a＝________. ③用米尺测量A1相对于A2的高度h.设小车所受重力为mg，则小车所受合外力F＝________. ④改变________，重复上述测量．

⑤以h为横坐标，1/t2为纵坐标，根据实验数据作图．如能得到一条过原点的直线，则可以验证“当质量一定时，物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一规律．

(2)在“验证牛顿第二定律”的实验中，实验装置如图甲所示，有一位同学通过实验测量作出了图乙中的A图线．试分析

①A图线不通过坐标原点的原因是__________________________________________；

②A图线上部弯曲的原因是________________________________________________．

教学评价

8

板书设计：

七

3. 3.2实验：探究加速度与力、质量的关系

一、实验基本思想：控制变量法

保持质量不变，探究a与F的关系

保持受力不变，探究a与M的关系

二、

制定实验方案时的问题

1.

怎样提供和测量物体所受的恒力

2.

平衡摩擦力

3.

拉力等于钩码的重力的条件

4.

怎样测量物体的加速度

三、数据的处理分析

四、实验结论：

质量一定时，加速度与合力成正比，即：

合力一定时，加速度与质量成反比，即：

1

am

八、教学反思：

本节课先通过牛顿第一定律的复习和多媒体展示的画面提出问题，然后通过实例大胆猜测并作出假设，再通过实验搜集实验数据，利用图象通过对数据分析，得出结论来验证假设，最后反复验证得出结论，让学生深刻体会了探究实验的模式，培养了学生实事求是的科学态度，乐于探究自然界的奥秘，深刻体验科学家探索自然规律的艰辛与喜悦。同时本节实验中的控制变量法是物理学研究问题的重要方法，本节课也让学生亲自设计实验方案、亲自动手操作，培养了学生的实验能力、动手能力。

本节实验探究课的成功之处：教学设计过程合理1.通过学生吹小石子和纸片、推空箱子和装满书的箱子的视频录制观看，引导学生思考并得出与加速度相关的因素，再通过教材的四幅图片进一步得出决定加速度的因素，由此确定探究任务，领悟了科学探究中“提出问题”的关键性作用。2.研究方法的确立。从加速度与外力及自身质量的定性关系过渡到研究定量关系时，选择的研究方法称为控制变量法。3.实验方案的确定。确定实验方案之前，通过问题引导，解决了摩擦力的影响，合力的测量，质量的改变问题。之后，学生就能进一步明确实验原理，确信自己的设计方法和思路，从而确定方案。4.小结反思较好。能较好地帮助学生树立积极学习物理的情感和信心。

不足之处：1.想让学生自己设计出方案来，问题引导后，学生不能积极主动讨论，没有限定时间，导致学生提出方案的时间过长，实验操作的时间不够。2.没有充分估计学生的操作和计算能力，以致实验数据的处理没有完成，数据说服力较低。

再设计提高：1.在处理教材内容上，多阅读有关教学教法等教育理论方面的资料，加强对自己的理论指导，对教材挖掘要充分。2.实验方案的提出应充分调动学生的积极性，缩短原理理论的讲解，实验操作过程的时间必须充分，保证在20分钟以上。3.实验过程中充分强调小组合作，实验操作的学生，负责记录数据的学生，以及计算加速度的学生应有条不紊的进行，以保证实验能成功得出结论。4.课后的实验方法、原理的总结，注意事项、实验步骤的回顾要形成书面总结。5.课后对方法、原理、注意事项的强调应通过练习来加深理解和记忆。因此，下来之后补充强化练习题给学生。

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