学生实验教学设计

清河中学高一物理教学辅助材料·必修1 第四章

牛顿运动定律

编制:房乐

审核:高一物理组

2017-12-04 4–2

实验：探究加速度与力、质量的关系

【教学目标】

1．指导学生学会运用控制变量法探究规律。

2．引导学生学会利用列表法、图象法、函数法处理实验数据。

【教学重点】

探究与处理数据的过程。

【教学难点】

实验条件的控制与数据处理的手段。

【对话A----引导自学、把握基础】

一、知道实验目的

1．学会用控制变量法探究物理规律。

2．探究加速度与力、质量的关系。

3．掌握利用图象处理数据的方法。

二、理解实验原理

采用控制变量法，在探究加速度与力、质量三者关系时，先让其中一个量保持不变来探究其他两个量之间的关系。

1．控制小车的质量M不变，分析加速度a与力F的关系。

2．控制砝码和小盘的质量不变，即力F不变，改变小车的质量M，分析加速度a与M的关系。

三、明确实验器材

打点计时器、纸带、复写纸片、小车、一端附有定滑轮的长木板、小盘、重物、夹子、细绳、交流电源、导线、天平(带有一套砝码)、刻度尺。

四、熟悉实验步骤

1．测质量：用天平测量小盘的质量m0和小车的质量M0。

2．安装器材：按如图所示将实验器材安装好(小车上不系绳)。

3．平衡摩擦力：把木板无滑轮的一端下面垫一薄木板，反复移动其位置，使小车在不挂小盘和砝码的情况下，能沿木板做匀速直线运动(纸带上相邻点的间距相等)。

4．测a、F

(1)把小车停在打点计时器处，挂上小盘和砝码，先接通电源，再让小车拖着纸带在木板上匀加速下滑，打出一条纸带，纸带记录了小车的运动情况，取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂小盘和砝码的总重力mg。

(2)保持小车的质量不变，改变小盘中砝码的质量，重复步骤(1)，多做几次实验，并记录好相应纸带的编号及所挂小盘和砝码的总重力m2g、m3g…

- 1 -

5．测a、M

(1)保持小车所受的合外力不变，在小车上加钩码，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钩码的总质量M1。

(2)继续在小车上增加钩码，重复步骤(1)，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钩码的总质量M2、M3…

2x6．用公式Δx＝aT2或a＝2求得小车的加速度a，将得到的数据填入相应表格中，T以便进行数据验证。

五、清楚数据处理

1．把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中：

物理量

作用力F

加速度a

1

2

3

4

5

6

以a为纵坐标、F为横坐标，根据数据作a－F图象，用曲线拟合测量点，找出规律，分析a与F的关系。

2．把不同质量的小车(小车和钩码)在相同力的作用下产生的加速度大小填在表中：

物理量

质量M

1/M

加速度a

1

2

3

4

5

6

1

分别以a为纵坐标、M和为横坐标，根据数据作M1a－M图象和a－图象，分析a与M的关系。

M3．实验结论

(1)保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受力F成正比。

(2)在力F不变时，物体的加速度a与质量M成反比。

六、能够误差分析

1．系统误差：本实验用小盘和砝码的总重力mg代替小车的拉力，而实际上小车所受的拉力要小于小盘和砝码的总重力。小盘和砝码的总质量越接近于小车的质量，误差越大；反之，小盘和砝码的总质量越小于小车的质量，由此引起的误差就越小。因此，满足小盘和砝码的总质量远小于小车的质量的目的就是为了减小因实验原理不完善而引起的误差。

2．偶然误差：摩擦力平衡不准确、质量测量不准确、计数点间距测量不准确、纸带和细绳不严格与木板平行都会引起误差。

七、了解注意事项

1．平衡摩擦力时不要挂重物，整个实验平衡了摩擦力后。不管以后是改变小盘和砝- 2 -

码的质量还是改变小车及砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力。

2．实验中必须满足小车和砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量。

3．改变拉力和小车质量后，每次开始时小车应尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再放开小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。

4．作图象时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧。

预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中

问题1 问题2 问题3 【对话B----互动探究、拓展提升】

要点一

实验原理及实验方法

[例1] 在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，渗透了研究问题的多种方法：

(1)实验环境的等效法：____________________________________________；

(2)实验条件设计的科学方法：_____________________________________；

(3)实验原理的简化：______________________________________________，

即当小车质量M车≫m沙时，细绳对小车的拉力大小近似等于沙及桶的总重力m沙g；

(4)实验数据处理的科学方法：_____________________________________；

1(5)由a－M车图象转化为a－图象，所用的科学方法：________。

M车(以上各题均选填“理想实验法”、“图象法”、“平衡摩擦力法”、“化曲为直法”、“控制变量法”或“近似法”)

要点二

实验数据处理和误差分析

[例2] 某同学设计了一个探究加速度a与物体所受合力F及质量m的关系的实验，如图所示，图甲为实验装置简图(交流电的频率为50 Hz)。

(1)图乙为某次实验得到的纸带，根据纸带可求出小车的加速度大小为________m/s2(保留两位有效数字)。

(2)保持沙和沙桶质量不变，改变小车质量m，分别得到小车加速度a与质量m1及对应的数据如下表：

m物理量实验次数

小车加速度a/(m·s2)

－

1

1.90

0.25

4.00

2

1.72

0.29

3.45

3

1.49

0.33

3.03

4

1.25

0.40

2.50

5

1.00

0.50

2.00

6

0.75

0.71

1.41

7

0.50

1.00

1.00

8 0.30 1.67 0.60 小车质量m/kg

1－1/kg

m- 3 -

11

请画出a－图线，并依据图线求出小车加速度a与质量倒数之mm间的关系式是__________。

(3)保持小车质量不变，改变沙和沙桶质量，该同学根据实验数据作出了加速度a随合力F变化的图线，如图所示。该图线不通过原点，请你分析其主要原因是_________________________________________________。

要点三

创新方案设计

[例3] 两个相同的小车并排放在光滑水平桌面上，小车前端系上细线，线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘里分别放有不同质量的砝码(图甲)。小车所受的水平拉力F的大小可以认为等于砝码(包括砝码盘)所受的重力大小。小车后端也系有细线，用一只夹子夹住两根细线(图乙)，控制两辆小车同时开始运动和结束运动。

由于两个小车初速度都是零，运动时间又相at2同，因为x＝，即x∝a，所以只要测出两小车2位移x之比就等于测出它们的加速度a之比。

实验结果是：当两小车质量相同时，______________；当拉力F相等时，______________。实验中用砝码(包括砝码盘)所受的重力G＝mg的大小作为小车所受拉力F的大小，这样做会引起实验误差，为了减小这个误差，G与小车所受重力Mg之间需要满足的关系是：___________。

【对话C----课堂评估、固本增效】

1．如图所示为“探究加速度与力、质量的关系”的实验装置图，以下做法正确的是(

) A．平衡摩擦力时，应将重物用细绳通过定滑轮系在小车上

B．本实验中探究的方法是控制变量法

C．实验时，先放开小车，后接通电源

D．“重物的质量远小于小车的质量”这一条件如不满足，对探究结果也不会产生影响

2．(多选)按实验要求组装好器材后，应按一定步骤进行实验，下述操作步骤的合理顺序是(

) ①保持重物的质量不变，在小车里加砝码，测出加速度，重复几次

②保持小车质量不变，改变重物的质量，测出加速度，重复几次

③用天平测出小车和重物的质量

④平衡摩擦力，使小车近似做匀速直线运动

⑤挂上重物，接通打点计时器的电源，放开小车，在纸带上打下一系列的点

1⑥根据测量的数据，分别画出a－F和a－的图线

mA．③④⑤①②⑥

B．③⑤④①②⑥ C．④③⑤①②⑥

D．④③⑤②①⑥

- 4 -

3．(多选)如图所示是在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，根据实验数据描绘出的三条a－F图线，下列说法中正确的是(

) A．三条倾斜直线所对应绳的拉力相同

B．三条倾斜直线所对应的小车和砝码的总质量不同

C．直线1对应的小车和砝码的总质量最大

D．直线3对应的小车和砝码的总质量最大

4．“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，在研究小车的加速度a和小车的质量M的关系时，由于没有始终满足M≫m(m为沙桶及沙桶中沙的质量)的条件，结果得到的图象应是(

)

5．如图所示是某同学探究加速度与力、质量的关系时，已接通电源正要释放纸带时的情况，请你指出该同学的五个差错；

(1)电源________；

(2)电磁打点计时器位置________；

(3)滑轮位置________；

(4)小车位置________；

(5)长木板____________________。

6．某实验小组利用图所示的装置探究加速度与力、质量的关系。

(1)下列做法正确的是_______(填字母代号)。

A．调节滑轮的高度，使牵引木块的细绳与长木板保持平行

B．在调节木板倾斜度平衡木块受到的滑动摩擦力时，将装有砝码的砝码桶通过定滑轮拴在木块上

C．实验时，先放开木块再接通打点计时器的电源

D．通过增减木块上的砝码改变质量时，不需要重新调节木板倾斜度

(2)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________________________。

7．某同学利用9(a)所示实验装置及数字化信息系统获得了小车加速度a与钩码的质量m的对应关系图，如图(b)所示。实验中小车(含发射器)的质量为200 g，实验时选择了不可伸长的轻质细绳和轻定滑轮，小车的加速度由位移传感器及与之相连的计算机得到。回答下列问题：

(1)根据该同学的结果，小车的加速度与钩码的质量成________(填“线性”或“非线性”)- 5 -

关系。

(2)由图(b)可知，a－m图线不经过原点，可能的原因是_______________________。

(3)若利用本实验装置来验证“在小车质量不变的情况下，小车的加速度与作用力成正比”的结论，并直接以钩码所受重力mg作为小车受到的合外力，则实验中应采取的改进措施是_____________________，钩码的质量应满足的条件是____________。

【课堂小结】

【教学反思】

- 6 -