2. 探究加速度与力、质量的关系教学目标设计

《实验：探究加速度与力、质量的关系》教学设计

石家庄市第十七中学

王颖

引入：上节课我们学习了牛顿第一定律，由牛顿第一定律可知：力是改变物体运动状态的原因。惯性是维持物体运动状态的原因，而惯性的唯一量度是质量。其实生活中应用牛顿第一定律的例子有很多，今天我们就来分析一个具体事例。

大家有听过运动员张培萌和飞机赛跑的事吗？

我们现在就到比赛现场看看

我们看张培萌先冲了出来，比赛继续，最后张培萌赢了。

可以看出张培萌之所以胜利得益于他先冲出来。

张培萌和飞机一起从静止开始做加速运动，他们为什么能加速？（有力）

张培萌为什么能先冲出来？（质量小）

通过牛顿第一定律可知：

物体运动状态的变化即加速度与力、质量都有关。

他们到底具有什么样的定量关系呢？

我们今天就用实验来探究。

（板书）3.2实验：探究加速度与力、质量的关系

在设计实验之前，我们不妨来猜想一下，这三者存在什么样的定量关系呢?

（学生回答：质量一定时，加速度与力成正比；力一定时，加速度与质量成反比）

你能说说怎么想的吗？

（学生回答：质量一定时，力越大加速度越大；力一定时，质量越大加速度越小）

大家都同意吗？

（板书：一、猜想：当m一定时，a与F成正比

当F一定时，a与m成反比）

我们在无形之间用到了一种非常好的物理思想，这就是控制变量法。

我们如何用实验来证明这个猜想呢？（学生回答：实验）

下面就请同学们进行实验设计，我给了几点提示，请大家分组讨论

1.

你打算以什么样的物体为研究对象？该物体做什么运动？如何实现这种运动？

2.需要测量哪些物理量？如何测量？需要哪些实验器材？

3.请画出实验草图

（板书：二、实验设计）

（学生回答：以小车为研究对象，让钩码拉着它做匀加速运动，测质量、加速度、力）

力是多少？钩码重力的大小（板书：测m、a、F

Fm0g）

说的非常好，大家都同意吗？（同意）

但我有问题需要同学们帮我解惑

小车在运动方向上只受拉力吗？（还有摩擦力）

我们需不需要测量摩擦力？（不需要）

需要，因为我们这里的力指的是小车的合力

好不好测量呢？（不好测）

能不能想个办法不测摩擦力又达到拉力是唯一的合力的效果？

如何抵消摩擦力的影响？

（学生回答：光滑，气垫导轨……）

这都是改进器材的方法

还有没有其他办法？大家观察这幅设计图，和你的有什么不同？（垫起来了）

为什么垫高？

（学生回答：让小车的重力下滑分力和滑动摩擦力平衡）

很好，非常棒。请你对斜面上的小车受力分析

（学生回答：小车受重力，支持力，摩擦力），有拉力吗？

没有，没有加钩码，我调整合适的角度，让小车重力的下滑分力与滑动摩擦力平衡，就抵消了，再挂上钩码，小车在运动方向上就相当于只受到拉力了。这就叫做平衡摩擦力。

我还有一个问题，小车的拉力等于钩码重力的大小吗？（等于呀）

我们一起来看这里

小车和钩码用一根不可伸长的绳相连，在钩码重力作用下一起做匀加速运动。加速度竖直向下。

钩码受力平衡吗？（不平衡）受重力和拉力，拉力小于重力。

那拉力是多少呢？

别着急，告诉大家，物理计算表明，若满足小车重力远大于钩码重力时，我们认为绳子拉力近似等于钩码重力。至于为什么，等大家学完本章知识再做解释。

我们解决了实验设计中的困惑，就可以动手操作了

下面由我规范的给大家展示一下操作过程

（板书：三、规范操作）

第一步：安装好实验器材，为了满足小车重力远大于钩码重力，我在小车里加了6个钩码，让小车质量大一些

第二步：平衡摩擦。我将轨道一端抬起一定高度，让小车由静止释放，小车做加速运动，说明平衡的过了，我们要让小车匀速。再调整，低一些，我觉得这个高度差不多了，轻推小车，小车近似做匀速运动，怎么就知道小车一定是匀速呢？（打纸带）若纸带点迹均匀，则说明匀速，平衡好了摩擦力（开始实验，向同学们展示纸带）是均匀的吗？

第三步：挂上一个50g钩码，开始实验，我们需要记录什么数据呀？（小车的合力，也就是绳子拉力，数值上等于钩码的重力）画表格记录F=0.49

打出纸带,请大家用逐差法快速处理数据求出a

（学生说逐差法的计算方法以及结论a=0.97）大家算的都一样吗？

一条纸带可能存在误差，所以我们要在F=0.49N时，至少打出3条纸带，求平均值。

再改变拉力的大小，记录5组数据，才能找规律，这就是15条纸带。

探究力一定时，加速度与质量关系，又是15条，这一共是30条。计算量有点大呀，下节课我们将走进实验室，亲自体验完整的探究过程。

我昨天采集了一些数据，我们共同来处理

（板书：四、数据处理）

请看第一组，我们如何更直观更科学的处理数据寻找加速度与力的关系呢？（作图）

好，大家在坐标纸上开始。

请这位同学说说你的图像的特点和得到的结论（过原点的倾斜直线，加速度与力成正比）大家都一样吗？我给提供的一组数据不足以说明问题，明天大家走进实验室，共同采集数据，继续寻找是不是这样的规律

再看这一组，请大家描点作图

请这位同学说说你的图像的特点和得到的结论（曲线，加速度与质量成反比）

大家都同意吗？

我这有几个函数关系的图像，

你能说明画的是哪个函数关系吗？（不能）

怎么办？

物理上想要说明两个量的定量关系，一定要找线性函数，只有线性函数才能说明定量关系。

找a与1/m的关系，作图。

大家描点作图非常熟练了，下面我用计算机演示。先计算1/m，描出5个点，大家观察一下，有什么特点？（近似一条直线），用直线拟合，反向延长过原点，我们就能得出，F一定时a与1/m成正比，也就是a与m成反比。

这种化曲为直的思想在以后还会用到。

同样给大家提供的一组数据不足以说明问题，明天咱们走进实验室，共同采集数据，继续寻找是不是这样的规律。

由以上实验，我们可以得出这样的结论：

当m一定时，a与F成正比

当F一定时，a与m成反比

实验设计的很成功，但是不是计算量大呀？我们有没有别的方法来探究呢？

大家看这里（指着实验仪器）我们刚才一直研究的是一个小车在不同时间内的运动，能不能换个思路，研究多个小车在相同时间内的运动？

（板书：五、对比实验）

大家如何用这套装置来进行实验？

（实验操作：同时释放，同时停）

我们就先来验证猜想一，让上面的小车挂1个钩码，下面2个，开始实验，同时释放，同时停止。我们需要对比什么？

力的比值（板书：F1/F2=1/2）

还有什么？（位移）为什么？原理何在？不是要找加速度与力的关系吗？

（小车做初速度为0的匀加速直线运动，x12，当t相同时，加速度与位2at移成正比，也就是a1a2xx12）

大家看力之比是1/2，位移之比1/2，符合猜想一，这是不是巧合呀？（再做一组），我让上面挂3个，下面1个，开始实验，力之比是1/3，位移之比也是1/3，这样就可以验证猜想一是正确的了。

再看猜想二，我让上面小车空载，质量200g，下面小车加4个钩码，质量为200g，质量之比1/2，都加2个钩码，开始实验，位移之比2/1。可见猜想二也是正确的。这就是间接测量a的方法，在伽利略研究自由落体的时候就用过，不知道大家还记不记得。这就是智慧的传承呀。

这样，我们通过以上两个实验都证明了猜想是正确的。当m一定时，a与F成正比；当F一定时，a与m成反比。

很明显实验各有优缺，第一个实验思路清晰，就是计算量大，第二个，得需要高智慧，对比简单。

随着科技的进一步发展，我们的物理器材也在进步，看这里，这是气垫导轨，打开电源后，通过气孔出气，让小车可以悬浮，这样车和轨道之间的摩擦力就几乎为0了；这是光电门，可以直接记录时间，和计算机相连就可以算出加速度了，这是力传感器，与绳接在一起，能直接读出拉力的大小。用这套装置进行实验，数据采集工作就简单多了。

这就是科技的力量，科技让物理的探究更便捷，更严谨，同样物理也促进着科技的发展。希望大家都能好好学物理，让自己成为科技进步的领航人。好这节课就到这里，下课！

板书设计：

实验：探究加速度与力、质量的关系

一、猜想：

当m一定时，a与F成正比

当F一定时，a与m成反比

二、设计实验

三、规范实验

四、数据处理

F/N 1 2 3 4 0.49

五、对比实验

a/m*s-2