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1、《實(shí)驗(yàn):探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》教學(xué)設(shè)計(jì)
高中物理組:潘永紅
【教學(xué)目標(biāo)】
一、 知識(shí)與技能
1. 理解物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化快慢即加速度大小與力有關(guān),與質(zhì)量也有關(guān)。
2. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系。
3. 培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作能力。
二、 過(guò)程與方法
1. 指導(dǎo)學(xué)生半定量地探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系,知道用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
2. 引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),并根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
3. 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并能根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果得出結(jié)論。
三、 情感、態(tài)度、價(jià)值觀
1. 通過(guò)實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)實(shí)事求是、尊重客觀規(guī)律的科學(xué)態(tài)度。
2. 通過(guò)探究激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新精神。
2、3. 培養(yǎng)與人合作的團(tuán)隊(duì)精神。
【教學(xué)重點(diǎn)】
1. 控制變量法的使用。
2. 如何提出實(shí)驗(yàn)方案,并使實(shí)驗(yàn)方案合理可行。
3. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理。
【教學(xué)難點(diǎn)】
1.在老師引導(dǎo)下提出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案。
2.實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程。
【教學(xué)用具】
小車,一端帶有滑輪的長(zhǎng)木板,鉤碼1盒(每盒10個(gè)),配重碼兩個(gè),鐵夾,線繩若干。
【教學(xué)過(guò)程】
一、導(dǎo)入:
師:牛頓第一定律定性地描述了物體的運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系,物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持,力是使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的原因。當(dāng)物體受到的合外力不為0時(shí),將使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變。而物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(也就是運(yùn)動(dòng)速度)發(fā)生改變時(shí),物體具有加速度,
3、所以說(shuō)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(xué)習(xí)中我們還了解到:質(zhì)量是物體慣性的量度,質(zhì)量越大,慣性越大,而慣性越大就代表物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難改變就是說(shuō)速度變化慢即加速度小。所以質(zhì)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(zhì)量有關(guān),而且大體知道它們之間是怎樣的關(guān)系:質(zhì)量一定時(shí),受力越大,其加速度越大。例如,競(jìng)賽用的小汽車,質(zhì)量與一般小汽車相仿,但因?yàn)榘惭b了強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī),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(shí),質(zhì)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(xué)研究不滿足這樣的定性關(guān)系。我們還想知道它們之間有怎樣的定量關(guān)系。下面我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究這個(gè)問(wèn)題。
師:如果某個(gè)物理量與好幾個(gè)物理之間均有關(guān)系,那如何單獨(dú)研究它與其中一個(gè)物理量的關(guān)系呢?
生:控制變量法
控制變量法:要研究某兩個(gè)量之間的關(guān)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(guān)系時(shí)一定要保證這兩個(gè)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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備:
實(shí)驗(yàn)器材:
小車、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、一端帶滑輪的長(zhǎng)木板、細(xì)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(zhì)量的
5、關(guān)系,那實(shí)驗(yàn)中肯定要測(cè)量計(jì)算加速度、質(zhì)量、合外力這三個(gè)物理量。
師:對(duì)于物體運(yùn)動(dòng)的加速度的測(cè)量計(jì)算,哪位同學(xué)有好的思路建議?
生:可以跟前面測(cè)量勻變速直線運(yùn)動(dòng)加速度一樣用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器。
師:不錯(cuò),這是一個(gè)非常好的建議。本節(jié)探究實(shí)驗(yàn)我們就是采用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)測(cè)量計(jì)算小車的加速度。
師:對(duì)于小車質(zhì)量的測(cè)量,我想大家應(yīng)該知道用什么樣的測(cè)量?jī)x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(gè)物理量的測(cè)量計(jì)算。那還有最后一個(gè),就是如何測(cè)量計(jì)算小車所受的合外力,這是今天這節(jié)課的一個(gè)重點(diǎn),也是一個(gè)難點(diǎn)。
師:在思考如何測(cè)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(gè)
6、恒定的合外力。大家可以根據(jù)老師給你們的實(shí)驗(yàn)儀器來(lái)思考回答這個(gè)問(wèn)題。
生:把附有滑輪的長(zhǎng)木板平放在水平實(shí)驗(yàn)桌上,將細(xì)繩一端與小車相連,一端繞過(guò)滑輪,下面掛上鉤碼。小車在鉤碼的牽引力下運(yùn)動(dòng)。通過(guò)增減鉤碼數(shù)改變小車的受力;通過(guò)往小車上增減砝碼改變小車的質(zhì)量。
師:這位同學(xué)回答得非常好,非常全面。通過(guò)增減鉤碼數(shù)改變小車的受力,那我們?nèi)绾蝸?lái)測(cè)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(gè)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(lái)比較麻煩,還要再去計(jì)算摩擦力,算
7、摩擦力時(shí)又要μ和壓力N??傊@樣要得到合外力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)太麻煩困難了。能不能有好一點(diǎn)的解決方法呢?這里主要是摩擦力惹的麻煩,有沒(méi)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(shí)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(guò)前面的學(xué)習(xí)中我們已經(jīng)了解到,一對(duì)平衡力的作用效果是可以相互抵消的,我們能不能用一個(gè)與摩擦力平衡的力來(lái)抵消摩擦力的作用效果呢,使摩擦力有等于沒(méi)有。
師:其實(shí)答案我早就給你們了,大家還記得這樣一道題嗎?
如圖一個(gè)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(dòng)摩擦因數(shù)。
θ
θ
N
Gcosθ
Gsi
8、nθ
G
解:因?yàn)閯蛩?,所以合外力?。物體受重力G、支持力N、摩擦力f。這三個(gè)力的合力為0。如何利用這個(gè)關(guān)系呢?我們可以將重力分解,分解后則有,,所以動(dòng)摩擦因數(shù)為tanθ。
問(wèn):如果此時(shí)給物體加上一個(gè)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(gè)力以后剛才的那三個(gè)力都沒(méi)有變,所以它們的合力還是0,再加上一個(gè)力F,所以物體現(xiàn)在的合力是F。
平衡摩擦力:
我們將長(zhǎng)木板傾斜一定角度θ,θ應(yīng)該等于,此時(shí)物體在斜面上受到的合外力為0。做實(shí)驗(yàn)時(shí)肯定無(wú)法這么準(zhǔn)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(diǎn)來(lái)判斷),這就說(shuō)明此時(shí)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(shí)驗(yàn)中受到的合外力就是繩子的拉力了。
師:那如何來(lái)測(cè)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(qǐng)同學(xué)們先回答我一個(gè)問(wèn)題:什么情況下繩子的拉力等于鉤碼的重量?或當(dāng)繩子拉力等于鉤碼重力時(shí),鉤碼做的是什么運(yùn)動(dòng)?
生:當(dāng)繩子拉力等于鉤碼重力時(shí),鉤碼做的是勻速直線運(yùn)動(dòng)或靜止。
師:實(shí)驗(yàn)鉤碼做的是勻速直線運(yùn)動(dòng)嗎?
生:不是!鉤碼與小車一樣做勻加速直線運(yùn)動(dòng),繩子的拉力應(yīng)該小于鉤碼的重力。
師:那怎么辦呢?理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)砝碼質(zhì)量比小車質(zhì)量小得多時(shí)(
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(gè)結(jié)論在我們學(xué)完本章之后自己就可以證明。
三、探究過(guò)程
1、探究加速度與合外力關(guān)系時(shí),只要保持質(zhì)量不變,改變鉤碼個(gè)數(shù),得到兩次實(shí)驗(yàn)的鉤碼重力之比,再通過(guò)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(shuō)明加速度與合外力成正比。
2、探究加速度與質(zhì)量關(guān)系時(shí),保證鉤碼數(shù)量不變即合外力不變,改變質(zhì)量,得到兩次質(zhì)量之比,再通過(guò)紙帶得到兩次加速度之比,看加速度之比是不是等于質(zhì)量之反比,如果是,說(shuō)明加速度與質(zhì)量成反比。
師:在不需要計(jì)算出具體加速度數(shù)值的情況下如何從紙帶上計(jì)算兩次加速度之比呢?
11、
生:如果能讓兩次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間相同,則根據(jù)初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)在相同時(shí)間內(nèi)的位移之比等于加速度之比。
師:這位同學(xué)設(shè)想得很好,怎樣才能讓兩次實(shí)驗(yàn)的時(shí)間相同呢?我給大家提
四、 進(jìn)行實(shí)驗(yàn),處理數(shù)據(jù)
1、實(shí)驗(yàn)一 探究加速度與力的關(guān)系
表一:兩車質(zhì)量都是250g
?
藍(lán)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(zhì)量都是250g
組別
1
?
2
?
3
12、
?
2、實(shí)驗(yàn)二探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系
表三:兩車掛的鉤碼質(zhì)量都是20g
?
藍(lán)色小車
紅色小車車
組別
車和車上砝碼總質(zhì)量/g(代表質(zhì)量m1)
位移x1/cm
車和車上砝碼總質(zhì)量/g(代表質(zhì)量m2)
位移x2/cm
1
?
2
?
3
?
表四:兩車掛的鉤碼質(zhì)量都是20g
組別
1
2
3
五、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和誤差分析
讓學(xué)生分析表二和表四,并得出結(jié)論
結(jié)論:在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,我們根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)和觀察到的事實(shí),首先猜想物體的加速度與它所受的合外力及它的質(zhì)量有最簡(jiǎn)單的關(guān)系,即與合外
13、力成正比,與質(zhì)量成反比。,。如果這個(gè)猜想正確,那么根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以a為縱坐標(biāo)、以F為橫坐標(biāo),和以a為縱坐標(biāo)、以為橫坐標(biāo)作出的圖象,都應(yīng)該是經(jīng)過(guò)原點(diǎn)的一條直線。但實(shí)際情況往往不是這樣:描出的點(diǎn)有些離散,并不是嚴(yán)格地位于某條直線上;用來(lái)擬合這些點(diǎn)的直線并非準(zhǔn)確地通過(guò)原點(diǎn)。
這時(shí)我們會(huì)想,自然規(guī)律真的是和嗎?如果經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),圖象中的點(diǎn)都十分靠近某條直線,面這些直線又都十分接近原點(diǎn),那么實(shí)際的規(guī)律很可能就是這樣的。
可見(jiàn),到這時(shí)為止,我們的結(jié)論仍然帶有猜想和推斷的性質(zhì)。只有根據(jù)這些結(jié)論推導(dǎo)出的很多新結(jié)果都與事實(shí)一致時(shí),它才能成為“定律”。本節(jié)實(shí)驗(yàn)只是讓我們對(duì)于自然規(guī)律的探究有所體驗(yàn),實(shí)際上一個(gè)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)不可能是幾次簡(jiǎn)單的測(cè)量就能得出的。由此看來(lái),科學(xué)前輩們?cè)诟鶕?jù)有限的實(shí)驗(yàn)事實(shí)宣布某個(gè)定律時(shí),既需要謹(jǐn)慎,也需要勇氣。