学生实验优质教案设计

探究加速度与力、质量的关系

一层教学设计：基本实验原理、方法

一、实验器材

小车、砝码、小桶、砂、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．

二、实验原理

1.实验的基本思想——控制变量法

(1)保持研究对象即小车的质量不变，改变小桶内砂的质量，即改变作用力，测出小车的对应加速度，验证加速度是否正比于作用力．

(2)保持小桶中砂的质量不变，即保持作用力不变，改变研究对象即小车的质量，测出对应不同质量的加速度，验证加速度是否反比于质量．

2.要测的物理量

(1)小车与其上重物的总质量M. (2)小车受的拉力F(小桶和桶内砂的总重力)．

(3)小车的加速度．

三、实验步骤

1.用天平测出小车的质量M，并把数值记录下来．

2.按图所示的装置把实验器材安装好．

3.平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块，多次移动木块位置，直到轻推小车，使小车在斜面上运动时可保持匀速直线运动为止．

4.在小桶里放入适量的砂，用细线绕过定滑轮系在小车上，在小车上加放适量的砝码，用天平测出小桶和砂的质量m，并记录下来．先接通电源，再放开小车，待打点计时器在纸带上打好点后取下纸带．并在纸带上标上号码及此时所挂重物的总重力mg. 5.保持小车的质量不变，改变砂和小桶的质量，按步骤4再做5次实验．并记录

好相应纸带编号及所挂重物的总重力．

6.保持砂和小桶的质量不变，在小车上加放砝码，接通电源后放开小车，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带，并在纸带上标上号码及小车和砝码的总质量M. 7.继续在小车上增加砝码，重复步骤6，多做几次实验，在每次实验得到的纸带上标上号码及小车和砝码的总质量M2、M3……

8.用公式如Δx＝aT2或a＝中，以便进行数据验证．

四、数据处理

1.把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中

次数

小车的加速度a/(m·s－2) 砂和小桶的质量m/kg 拉力F/N 1

2

3

4

5

6

ΔxT2求得小车的加速度a，将得到的数据填入相应表格用纵坐标表示加速度，横坐标表示作用力，根据实验结果画出小车运动的a－F图象，从而得出a、F之间的关系．

2.把不同质量的小车在相同力的作用下产生的加速度填在表中

次数

小车的加速度a/(m·s－2) 小车质量M/kg

11

2

3

4

5

6

MM/kg－1

11以a为纵坐标，以为横坐标，作a－图象，分析a与M的关系．

M

五、注意事项及误差分析

1.注意事项

（1）实验中应先接通电源后释放小车．

（2）在平衡摩擦力时，不要悬挂小桶，但小车应连着纸带且接通电源．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斜面向下的分力平衡．

（3）改变砂的质量过程中，要始终保证砂桶(包括砂)的质量远小于小车的质量．

（4）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的分布在直线的两侧，但若遇到个别偏离较远的点可舍去. 2.误差分析

图是甲、乙两同学根据实验数据画出的图象．

形成图线甲的原因是__________________________．

形成图线乙的原因是__________________________．

二层教学设计：实验原理、实验器材变化拓展

一、实验器材

小车、砝码、细线、一端附有定滑轮的长木板、垫块、打点计时器、交流电源、纸带、刻度尺、天平．

二、实验原理

1.首先调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速直线运动

2.其次取下砝码及砝码盘让小车沿长木板做匀加速直线运动，并打出纸带

3.最后用天平测量出砝码及砝码盘的质量m0＋m，小车的质量M 由以上分析可以得出实验原理为：砝码及砝码盘的重力提供小车做匀加速直线运动的合外力(m0＋m)g＝Ma

三、实验步骤

1.按图中所示安装好实验装置；

2.调节长木板的倾角，轻推小车后，使小车能沿长木板向下做匀速直线运动；

3.取下细绳和砝码盘，记下砝码及砝码盘的质量m0＋m；

4.将小车置于打点计时器旁，先接通电源，再放开小车，打出一条纸带，用公式如xaT2或a便进行数据验证．

5.重新挂上细绳和砝码盘，改变砝码盘中砝码的质量，重复2—4步骤，求得小车在不同合外力F作用下的加速度．

四、数据处理

1.把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中

次数

小车的加速度a/(m·s－2) 砝码及砝码盘的质量

拉力F/N 1

2

3

4

5

6

xT2求得小车的加速度a，将得到的数据填入相应表格中，以用纵坐标表示加速度，横坐标表示作用力，根据实验结果画出小车运动的a－F图象，从而得出a、F之间的关系．

五、注意事项及误差分析

1.注意事项

（1）实验中应先接通电源后释放小车．

（2）一开始小车要挂着砝码及砝码盘一起做匀速直线运动

（3）取下砝码及砝码盘以后，两者的质量都要称量

（4）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的分布在直线的两侧，但若遇到个别偏离较远的点可舍去. 2.误差分析

某同学将有关测量数据填入他所设计的表格中，如下表

次数

1

2

3

4

5 砝码盘中砝码的重力F/N

0.10

0.20

0.29

0.39

0.49 小车的加速度a/(m·s)

0.88

1.44

1.84

2.38

2.89

他根据表中的数据画出a－F图象．造成图线不过坐标原点的一条最主要原因是__________ －2

练习：(2016·新课标全国III·23）某物理课外小组利用图（a）中的装置探究物体加速度与其所受合外力之间的关系。途中，置于试验台上的长木板水平放置，其右端固定一轻滑轮：轻绳跨过滑轮，一段与放在木板上的小滑车相连，另一端可悬挂钩码。本实验中可用的钩码共有N=5个，每个质量均为0.010kg。实验步骤如下：

（1）将5个钩码全部放入小车中，在长木板左下方垫上适当厚度的小物快，使小车9（和钩码）可以在木板上匀速下滑。

（2）将n（依次取n=1,2,3,4,5）个钩码挂在轻绳右端，其余N-n各钩码仍留在小车内；用手按住小车并使轻绳与木板平行。释放小车，同时用传感器记录小车在时刻t相对于其起始位置的位移s，绘制s-t图像，经数据处理后可得到相应的加速度a。

（3）对应于不同的n的a值见下表。n=2时的s-t图像如图(b)所示：由图（b）求出此时小车的加速度（保留2位有效数字），将结果填入下表。

n 1 2

3 0.58 4 0.78 5 1.00 a/ms2

0.20 （4）利用表中的数据在图（c）中补齐数据点，并作出a-n图像。从图像可以看出：当物体质量一定时，物体的加速度与其所受的合外力成正比。

图(b)

图(c) （5）利用a–n图像求得小车（空载）的质量为_______kg（保留2位有效数字，重力加速度取g=9.8 m·s–2）。

（6）若以“保持木板水平”来代替步骤（1），下列说法正确的是_______（填入正确选项钱的标号）

A．a–n图线不再是直线

B．a–n图线仍是直线，但该直线不过原点

C．a–n图线仍是直线，但该直线的斜率变大

三层教学设计：学生开放型实验

(2015·新课标全国Ⅱ·22)某同学用图(a)所示的实验装置测量物块与斜面之间的动摩擦因数．已知打点计时器所用电源的频率为50 Hz，物块下滑过程中所得到的纸带的一部分如图(b)所示，图中标出了五个连续点之间的距离．

(1)物块下滑时的加速度a＝________ m/s2，打C点时物块的速度v＝___________ m/s；

(2)已知重力加速度大小为g，为求出动摩擦因数，还必须测量的物理量是________(填正确答案标号)．

A．物块的质量

B．斜面的高度

C．斜面的倾角

答案

(1)3.25 1.79 (2)C 解析

(1)根据纸带数据可知，

加速度axCDxDExABxBC23.25m/s；

24T打C点时物块的速度vCxBD1.79m/s2. 2T(2)由牛顿第二定律得加速度a＝gsinθ－μgcosθ，所以要求出动摩擦因数，还必须测量的物理量是斜面的倾角，则gsina．

gcos延伸思考：由以上例题我们已经知道摩擦因素怎么简洁求解，那么还有哪个实验中需要平衡摩擦力？一般如何平衡？误差大吗？是否能够不平衡也能准确操作整个实验？

学生回答：

（1）探究动能定理中需要平衡摩擦力。

（2）一般平衡摩擦力的方法是将木板一端垫高，使小车的重力沿斜面向下的分力与摩擦阻力平衡。方法是轻推小车，由打点计时器打在纸带上的点的均匀程度

判断小车是否做匀速运动，找到长木板的一个合适的倾角。

这种方法不易操作，除非知道准确的倾角，不然调节的过程准确性低，而且小车刚好下滑时，重力沿斜面向下的分力大于最大静摩擦力，也就大于滑动摩擦力，所以这个实验误差较大。

（3）由以上例题可知，加速度与滑动摩擦因素有关系，利用以上方法将滑动摩擦因素测出来，就可以计算出加速度及合外力；利用打点计时器打出纸带，测量初末位置之间的距离，计算初末位置的速度，再计算合外力做的功及动能变化量；探究合外力所做功与动能变化量的关系。

让学生亲自去实验室动手完成此实验，验证自己的方法是否准确，误差有没有有所改进。

这个开放型实验反映出的问题刺激学生的好奇心和求知欲，引导他们分析问题、解决问题最后亲自动手验证问题，这一过程学生不仅解决了实验精度问题也提升了学生知识整合及动手操作的能力。