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1、《實驗：探究加速度與力、質量的關系》教學設計 高中物理組：潘永紅 【教學目標】 一、 知識與技能 1． 理解物體運動狀態(tài)的變化快慢即加速度大小與力有關，與質量也有關。 2． 通過實驗探究加速度與力和質量的定量關系。 3． 培養(yǎng)學生動手操作能力。 二、 過程與方法 1． 指導學生半定量地探究加速度與力和質量的關系，知道用控制變量法進行實驗。 2． 引導學生自己設計實驗，并根據(jù)設計進行實驗。 3． 對實驗數(shù)據(jù)進行處理，并能根據(jù)數(shù)據(jù)結果得出結論。 三、 情感、態(tài)度、價值觀 1． 通過實驗，培養(yǎng)實事求是、尊重客觀規(guī)律的科學態(tài)度。 2． 通過探究激發(fā)學生的求知欲和創(chuàng)新精神。

2、3． 培養(yǎng)與人合作的團隊精神。 【教學重點】 1． 控制變量法的使用。 2． 如何提出實驗方案，并使實驗方案合理可行。 3． 實驗數(shù)據(jù)的分析和處理。 【教學難點】 1．在老師引導下提出切實可行的實驗方案。 2．實驗的操作過程。 【教學用具】 小車，一端帶有滑輪的長木板，鉤碼1盒（每盒10個），配重碼兩個，鐵夾，線繩若干。 【教學過程】 一、導入： 師：牛頓第一定律定性地描述了物體的運動和力的關系，物體的運動不需要力來維持，力是使物體運動狀態(tài)發(fā)生改變的原因。當物體受到的合外力不為0時，將使物體的運動狀態(tài)發(fā)生改變。而物體運動狀態(tài)（也就是運動速度）發(fā)生改變時，物體具有加速度，

3、所以說物體受到的合外力不為0是物體產(chǎn)生加速度的原因，即力是物體產(chǎn)生加速度的原因。 師：上節(jié)課的學習中我們還了解到：質量是物體慣性的量度，質量越大，慣性越大，而慣性越大就代表物體的運動狀態(tài)越難改變。運動狀態(tài)難改變就是說速度變化慢即加速度小。所以質量也將決定物體加速度的大小。 師：從上面的分析我們知道，物體的加速度與合外力和質量有關，而且大體知道它們之間是怎樣的關系：質量一定時，受力越大，其加速度越大。例如，競賽用的小汽車，質量與一般小汽車相仿，但因為安裝了強大的發(fā)動機，能夠獲得巨大的牽引力，可以在四五秒內(nèi)從靜止加速到100km/h；受力一定時，質量越小，加速度越大，例如，同樣牽引力下空車的加

4、速比裝滿貨物的車的加速度大。但是物體學研究不滿足這樣的定性關系。我們還想知道它們之間有怎樣的定量關系。下面我們通過實驗探究這個問題。 師：如果某個物理量與好幾個物理之間均有關系，那如何單獨研究它與其中一個物理量的關系呢？ 生：控制變量法 控制變量法：要研究某兩個量之間的關系，必須保證其它所有的量都不變。比如我們?nèi)绻骄考铀俣扰c合外力的關系時一定要保證這兩個量之外的所有量均不變，這樣才能確定加速度的變化僅僅是由合外力的變化引起的。 二、實驗準備： 實驗器材： 小車、打點計時器、紙帶、一端帶滑輪的長木板、細線、砝碼、鉤碼、刻度尺、天平 師：本節(jié)課我們探究的內(nèi)容是加速度與力、質量的

5、關系，那實驗中肯定要測量計算加速度、質量、合外力這三個物理量。 師：對于物體運動的加速度的測量計算，哪位同學有好的思路建議？ 生：可以跟前面測量勻變速直線運動加速度一樣用打點計時器。 師：不錯，這是一個非常好的建議。本節(jié)探究實驗我們就是采用打點計時器來測量計算小車的加速度。 師：對于小車質量的測量，我想大家應該知道用什么樣的測量儀器吧？ 生：用天平！ 師：很好，就是用天平?，F(xiàn)在我們已經(jīng)解決了兩個物理量的測量計算。那還有最后一個，就是如何測量計算小車所受的合外力，這是今天這節(jié)課的一個重點，也是一個難點。 師：在思考如何測量物體所受的合外力前我們先思考如何才能給小車提供一個

6、恒定的合外力。大家可以根據(jù)老師給你們的實驗儀器來思考回答這個問題。 生：把附有滑輪的長木板平放在水平實驗桌上，將細繩一端與小車相連，一端繞過滑輪，下面掛上鉤碼。小車在鉤碼的牽引力下運動。通過增減鉤碼數(shù)改變小車的受力；通過往小車上增減砝碼改變小車的質量。 師：這位同學回答得非常好，非常全面。通過增減鉤碼數(shù)改變小車的受力，那我們?nèi)绾蝸頊y量小車所受的合外力呢？是不是鉤碼的重力就是小車所受的合外力呢？ 生：小車受四個力，重力、支持力、摩擦力、繩子的拉力。重力和支持力相互抵消，物體的合外力就等于繩子的拉力減去摩擦力。小車所受的合外力不是鉤碼的重力 師：那看起來比較麻煩，還要再去計算摩擦力，算

7、摩擦力時又要μ和壓力N?？傊@樣要得到合外力的實驗數(shù)據(jù)太麻煩困難了。能不能有好一點的解決方法呢？這里主要是摩擦力惹的麻煩，有沒有辦法把摩擦力的影響給消除了呢？ 生：不可能吧？物體在現(xiàn)實中不可能不受摩擦力！ 師：我們雖然不能消除摩擦力，但我們可以消除摩擦力的作用效果，通過前面的學習中我們已經(jīng)了解到，一對平衡力的作用效果是可以相互抵消的，我們能不能用一個與摩擦力平衡的力來抵消摩擦力的作用效果呢，使摩擦力有等于沒有。 師：其實答案我早就給你們了，大家還記得這樣一道題嗎？ 如圖一個木塊正在傾角為θ為的三角斜面上勻速下滑，試求斜面的動摩擦因數(shù)。 θ θ N Gcosθ Gsi

8、nθ G 解：因為勻速，所以合外力為0。物體受重力G、支持力N、摩擦力f。這三個力的合力為0。如何利用這個關系呢？我們可以將重力分解，分解后則有，，所以動摩擦因數(shù)為tanθ。 問：如果此時給物體加上一個沿斜面向下的力F，那物體現(xiàn)在受到的合外力是多少？ 解：加了一個力以后剛才的那三個力都沒有變，所以它們的合力還是0，再加上一個力F，所以物體現(xiàn)在的合力是F。 平衡摩擦力： 我們將長木板傾斜一定角度θ，θ應該等于，此時物體在斜面上受到的合外力為0。做實驗時肯定無法這么準確，我們只要把木板傾斜到物體在斜面上大致能夠勻速下滑（可以根據(jù)紙帶上的點來判斷），這就說明此時物體合外力為0，摩擦力

9、被重力的沿斜面向下的分力（下滑力）給抵消了。由于小車的重力G、支持力N、摩擦力f相互抵消，那小車實驗中受到的合外力就是繩子的拉力了。 師：那如何來測量繩子的拉力呢？ 生：看鉤碼的重力就行了，鉤碼的重力不就是繩子的拉力嗎？ 師：是嗎？那請同學們先回答我一個問題：什么情況下繩子的拉力等于鉤碼的重量？或當繩子拉力等于鉤碼重力時，鉤碼做的是什么運動？ 生：當繩子拉力等于鉤碼重力時，鉤碼做的是勻速直線運動或靜止。 師：實驗鉤碼做的是勻速直線運動嗎？ 生：不是！鉤碼與小車一樣做勻加速直線運動，繩子的拉力應該小于鉤碼的重力。 師：那怎么辦呢？理論計算發(fā)現(xiàn)當砝碼質量比小車質量小得多時（

10、≤1/6），繩子的拉力近似等于砝碼的重力，即小車受到合外力近似等于砝碼的重力。這個結論在我們學完本章之后自己就可以證明。 三、探究過程 1、探究加速度與合外力關系時，只要保持質量不變，改變鉤碼個數(shù)，得到兩次實驗的鉤碼重力之比，再通過紙帶得出兩次加速度之比，看鉤碼重力之比是不是等于加速度之比，如果是，說明加速度與合外力成正比。 2、探究加速度與質量關系時，保證鉤碼數(shù)量不變即合外力不變，改變質量，得到兩次質量之比，再通過紙帶得到兩次加速度之比，看加速度之比是不是等于質量之反比，如果是，說明加速度與質量成反比。 師：在不需要計算出具體加速度數(shù)值的情況下如何從紙帶上計算兩次加速度之比呢？

11、 生：如果能讓兩次實驗的時間相同，則根據(jù)初速度為0的勻加速直線運動時在相同時間內(nèi)的位移之比等于加速度之比。 師：這位同學設想得很好，怎樣才能讓兩次實驗的時間相同呢？我給大家提 四、 進行實驗，處理數(shù)據(jù) 1、實驗一 探究加速度與力的關系 表一：兩車質量都是250g ? 藍色小車 紅色小車 組別 繩上掛的鉤碼 （代表力F1/N） 位移x1/cm 繩上掛的鉤碼（代表力F2/N） 位移x2/cm 1 ? ? 2 ? ? 3 ? ? 表二：兩車質量都是250g 組別 1 ? 2 ? 3

12、 ? 2、實驗二探究加速度與質量的關系 表三：兩車掛的鉤碼質量都是20g ? 藍色小車 紅色小車車 組別 車和車上砝碼總質量/g（代表質量m1） 位移x1/cm 車和車上砝碼總質量/g（代表質量m2） 位移x2/cm 1 ? 2 ? 3 ? 表四：兩車掛的鉤碼質量都是20g 組別 1 2 3 五、分析實驗數(shù)據(jù)和誤差分析 讓學生分析表二和表四，并得出結論 結論：在這個實驗中，我們根據(jù)日常經(jīng)驗和觀察到的事實，首先猜想物體的加速度與它所受的合外力及它的質量有最簡單的關系，即與合外

13、力成正比，與質量成反比。，。如果這個猜想正確，那么根據(jù)實驗數(shù)據(jù)以a為縱坐標、以F為橫坐標，和以a為縱坐標、以為橫坐標作出的圖象，都應該是經(jīng)過原點的一條直線。但實際情況往往不是這樣：描出的點有些離散，并不是嚴格地位于某條直線上；用來擬合這些點的直線并非準確地通過原點。 這時我們會想，自然規(guī)律真的是和嗎？如果經(jīng)過多次實驗，圖象中的點都十分靠近某條直線，面這些直線又都十分接近原點，那么實際的規(guī)律很可能就是這樣的。 可見，到這時為止，我們的結論仍然帶有猜想和推斷的性質。只有根據(jù)這些結論推導出的很多新結果都與事實一致時，它才能成為“定律”。本節(jié)實驗只是讓我們對于自然規(guī)律的探究有所體驗，實際上一個規(guī)律的發(fā)現(xiàn)不可能是幾次簡單的測量就能得出的。由此看來，科學前輩們在根據(jù)有限的實驗事實宣布某個定律時，既需要謹慎，也需要勇氣。