高中物理人教版 (2019)必修 第一册2 实验：探究加速度与力、质量的关系精品教学设计

这是一份高中物理人教版 (2019)必修 第一册2 实验：探究加速度与力、质量的关系精品教学设计，共12页。教案主要包含了知识与技能，过程与方法等内容，欢迎下载使用。

人教版高中物理必修1教学设计

课题
实验：探究加速度与力、质量的关系
单元
4
学科
物理
年级
高一
教材分析
本节选自人教版高中物理教材第四章第2节《实验：探究加速度与力、质量的关系》牛顿第二定律是动力学的核心规律，是本章重点和中心内容，而探究加速度与力和质量的关系是学习下一节的牛顿第二定律有铺垫作用。也是力学和运动学中间重要桥梁的实验验证。
实验中计算加速的是关键，其中计算加速度的方法有：
（1）测量加速度的方案：①方法1：小车做初速度为0 的匀加速直线运动，直接测量小车移动的位移x和发生这段位移所用的时间t，a=2x/t2 计算出加速度a。
②方法2： 将打点计时器的纸带连在小车上，根据纸带上打出的点来测量加速度。
③方法3：让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等，那么由 a=2x/t2可知，它们的位移之比就等于加速度之比，
（2）提供并且测量物体所受的外力的方案：由于我们上述测量加速度的方案只能适用于匀变速直线运动，所以我们必须给物体提供一个恒定的外力，并且要测量这个外力。但测力有一定困难，还需平衡摩擦，教材的参考案例提供的外力比较容易测量。
教学目标与核心素养
一、知识与技能
1. 学会通过实验探究物体加速度与力、质量的关系的基本步骤和注意事项。
2. 在实验中掌握打点计时器的用法。
3. 对自己的实验结果进行合理的推测并归纳分析，得出结论。
二、过程与方法
（1）在处理实验问题时建立采用控制变量的方法对a、F、m三个物理量间的数量关系进行定量研究和根据实验数据，归纳、推理实验结论定量分析的物理观念。
（2）理解实验思路的合理性，以及用图象处理实验数据的有效性
三，情感态度价值观
通过探究实验，培养实事求是、尊重客观规律的科学态度；学会与他人合作、交流，具有团队意识和团队精神。
重点
1. 控制变量法的使用
2. 如何提出实验方案，并使实验方案合理可行
3. 实验数据的分析和处理
难点
1. 控制变量法的使用
2. 误差来源分析，并归纳注意事项

教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
知识回顾
咱们第一和二章学习了运动，第三章学习了力学，那这第四章是运动和力的关系。那么运动和理由什么样的关系呢？下面上一节学习的牛顿运动定律开始学习。
1、 牛顿第一定律的内容是什么？
教师总结并强调：一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，除非作用在它上面的力迫使他改变这种状态。
可见力是改变物体运动状态的原因，通过惯性定律可知，质量大的物体运动状态不容易改变。所以加速度与力、质量之间必然存在一定的关系。
在某种角度，牛顿第一运动定律解释了某物体不受力时的运动状态（静止或匀速直线运动），那么某物体受到力会做怎么运动呢？
下面我们我们通过实验分别从两方面来探究加速度与力、质量之间的定量关系：
① 加速度与力的关系；② 加速度与质量的关系。

学生回答1、牛顿第一定律的内容和惯性与质量的关系


为了说明加速度与力、质量之间的定量关系做铺垫，明白本节所要研究的内容。
讲授新课
一、实验：探究加速度与力、质量的关系
1、实验目的：:定量分析a、F、m的关系。
2、实验方法：控制变量法
例如：咱们研究速度这个概念时，（1）相同时间内比较谁的唯一大，就是谁的速度大； （2）相同位移，完成这段位移谁的用时少，那谁的速度快。位移和时间两个物理量会影响速度的大小
（1） 控制时间，研究位移和速度的关系
（2） 控制位移，研究时间与速度的关系
3、实验思路
将小车置于水平木板上，通过滑轮与槽码相连。小车可以在槽码的牵引下运动。
出示图片
（1）加速度与力的关系
保持物体的质量不变，测量不同力下的加速度，分析加速度与力的关系。
（2）加速度与质量的关系
保持物体受力不变，测量不同质量下的加速度，分析加速度与质量的关系。
出示动画：探究加速度与力、质量的关系
4、物理量的测量
本实验需要测量的物理量有三个：
A．物体的质量m
B．物体所受的作用力F
C．物体运动的加速度a。
（1）A．质量的测量
质量可以用天平测量。为了改变小车的质量，可以在小车中增减砝码的数量。 
（2）加速度的测量
①方法1：让小车做匀加速直线运动（初速度为零），测量小车移动的位移x和发生这段位移所用的时间t，a=2x/t2 计算出加速度a。
②方法2： 将打点计时器的纸带连在小车上，根据纸带上打出的点来测量加速度。
③方法3：让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等，那么由 a=2x/t2 可知，它们的位移之比就等于加速度之比，即：

这样，测量加速度就转换成测量位移了。
（2）力的测量
现实中，仅受一个力作用的物体几乎不存在，所以实验中作用力F的含义是物体所受的合力。
那么，如何测小车所受合外力F合？
我们通过下面具体实验来说明。
二、实验设计
实验设计1：用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
1、实验器材：小车、打点计时器、纸带、一端带滑轮的长木板、细线、砝码、钩码、刻度尺、天平。

2、实验步骤
（1）用天平测出小车的质量；
（2）按图装好实验器材，平衡摩擦力。
（3）控制小车质量不变，用细线将钩码与小车相连，打开打点计时器，释放小车，测出一组数据。
（4）保持小车上的砝码个数不变,改变钩码质量，并测量得F （钩码质量远小于小车质量），多测几组数据。
注意：只有在钩码质量远小于小车质量时，线的拉力近似等于钩码的重力。
(5)控制钩码质量不变，改变小车质量，再测几组数据填入表中。
(6)分析每条纸带，测量并计算出加速度的值；
(7)作a－F关系图象，并由图象确定a－F关系。
思考讨论：为什么平衡小车摩擦力？怎样平衡小车的摩擦力？
我们研究合力，质量和加速度关系时砝码重力就代表小车受到的合力，所以小车自由下落过程中匀速直线运动才能保证它是处于不受力状态，这样才能保证砝码重力就是汽车受到的外力。
在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木板，反复移动薄木板的位置，直至小车在斜面上运动时以保持匀速运动状态，这样小车所受合力为零，平衡了小车的摩擦力。

小车受到的摩擦力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡。
4、进行实验
表1：小车质量一定拉力F
拉力F
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
加速度a
0.15
0.31
0.43
0.59
0.76
思考：如何更直观地处理数据？
以a为纵坐标、F为横坐标建立直角坐标系。根据各组实验数据在坐标纸上描点，观察图像。

这些点在一条过原点的直线附近，说明加速度a 与拉力F 成正比。
表2：小车所受的拉力一定
质量 m
0.400
0.500
0.750
1.000
1.200
加速度 a
0.861
0.692
0.470
0.352
0.290
质量
2.50
2.00
1.33
1.00
0.83
在相同拉力作用下，质量m 越大，加速度a 越小。

我们很难直观看出图线是否为双曲线，那么，怎样判断a 与 m 成不成反比呢？
如果a-m图像是双曲线，a 与 m 成反比，也就是a与1/m成正比。


如图的图线为过原点的直线，所以在相同拉力作用下a与1/m成正比,即：a 与 m 成反比
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任何物体。
3．改变钩码的质量过程中，要始终保证钩码质量远小于小车质量时，线的拉力近似等于钩码的重力。
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。
科学方法 控制变量
控制变量的方法是指在研究和解决问题的过程中，对影响事物变化规律的独立因素加以人为控制，使其中只有一个因素按照特定的要求发生变化，而其他因素保持不变，以利于寻找事物发展变化的规律的方法。
本节在探究加速度与力、质量之间的关系时，就采用了控制变量的方法，它是科学研究中常用的一种方法。
课堂练习
1．利用如图所示的装置探究加速度与力、质量的关系，下列说法正确的是（　　）

A．保持小车所受拉力不变，只改变小车的质量，就可以探究加速度与力、质量的关系
B．保持小车质量不变，只改变小车的拉力，就可以探究加速度与力、质量的关系
C．先保持小车所受拉力不变，探究加速度与力的关系；再保持小车质量不变，探究加速度与质量的关系，最后归纳出加速度与力、质量的关系
D．先保持小车质量不变，探究加速度与力的关系；再保持小车所受拉力不变，探究加速度与质量的关系，最后归纳出加速度与力、质量的关系
【答案】D
【详解】
A. 保持小车所受拉力不变，只改变小车的质量，只能探究加速度与质量的关系，故A错误；
B. 保持小车质量不变，只改变小车的拉力，只能探究加速度与力的关系，故B错误；
CD. 先保持小车质量不变，探究加速度与力的关系；再保持小车所受拉力不变，探究加速度与质量的关系，最后归纳出加速度与力、质量的关系，这是利用控制变量法研究加速度与力和质量的关系，故C错误，D正确。
故选D。
2．如图所示是某同学探究加速度与力的关系的实验装置。他在气垫导轨上安装了一个光电门B，滑块上固定一宽度为d的遮光条，滑块用细线绕过气垫导轨左端的定滑轮与力传感器相连，传感器下方悬挂钩码，每次滑块都从A处由静止释放。

(1)下列不必要的一项实验要求是_____（请填写选项前对应的字母）。
A．应使A位置与光电门间的距离适当大些
B．应将气垫导轨调节水平
C．应使细线与气垫导轨平行
D．应使滑块质量远大于钩码和力传感器的总质量
(2)实验时，将滑块从A位置由静止释放，由数字计时器读出遮光条通过光电门B的时间t，若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是_____。
【答案】D A位置到光电门的距离L
【详解】
(1)[1]A．位置与光电门间的距离适当大些可以减小测量误差，故A正确；
B．应将气垫导轨调节水平，使细线对滑块的拉力等于滑块受到的合力，故B正确；
C．应使细线与气垫导轨平行，从而使细线对滑块的拉力等于滑块受到的合力，故C正确；
D．细线对滑块的拉力可以直接通过力传感器测量，不需要满足滑块的质量远大于钩码和力传感器的总质量这一条件，故D错误。
故选D。
(2)[2]根据匀变速直线运动的规律，滑块经过光电门时的瞬时速度可近似认为是滑块经过光电门的平均速度 ，根据 ，若要得到滑块的加速度，还需要测量的物理量是A位置到光电门的距离L。
3、．用如图所示的装置研究在作用力 一定时，小车的加速度 与小车质量 （含砝码）的关系，某位同学设计的实验步骤如下：
A．用天平称出小车和小桶及打点计时器其中所装砂子的质量；
B．按图所示装好实验器材；
C．把轻绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂小桶；
D．将电磁打点计时器接在电压为6 V的蓄电池上，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列点，并在纸带上标明小车质量；
E.保持小桶及其中砂子的质量不变，增加小车上砝码的个数，并记录每次增加砝码后小车和砝码的总质量 ，重复上述实验；
F.分析每条纸带，测量并计算出加速度的值；
G.作出 图像，并由图像确定 与 的关系．
（1）该同学漏掉的重要实验步骤是_______，该步骤应排在步骤_______后.
（2）在上述步骤中，有错误的是_______，应把_______改为_______．
（3）在上述步骤中，不恰当的是_______，应把_______改为_______．
【答案】平衡摩擦力 B 步骤D 电压为6 V的蓄电池 6 V以下的交流学生电源 步骤G 图像 图像
4.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错误：

(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________________．
【答案】应用6 V交流电源 应靠右端 应使拉线水平 应靠近打点计时器 应垫高右端以平衡摩擦力
5．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科学方法。（以下各题均选填“理想实验法”“图像法”“阻力补偿法”“化曲为直法”“控制变量法”或“近似法”）
(1)对阻力的处理：_____。
(2)实验设计思路：_____。
(3)对小车所受合力的简化：_____，即当小车质量M车≫m槽时，细绳对小车的拉力大小近似等于所挂槽码的重力m槽g。
(4)实验数据处理的科学方法：_____。
(5)由 图像转化为 图像，所用的科学方法：_____。
【答案】阻力补偿法 控制变量法 近似法 图像法 化曲为直法


学生阅读课文说出实验目的、实验思路、实验方法。









学生观看动画





阅读课文理解掌握实验中需要测量哪些物理量


阅读课文掌握
加速度的测量
的方法

















观察图片在理解的基础上说出实验器材







根据实验步骤进行实验操作









学生思考讨论：怎样平衡小车的摩擦力？






















学生记录实验数据作图并总结实验结论



























学生记忆注意事项











观察图片在理解的基础上说出实验器材



根据实验步骤进行实验操作




























学生记录实验数据作图并总结实验结论






















阅读课文理解
控制变量的意思








学生练习









锻炼学生的自主学习能力。











对加速度、力和质量之间的关系有一个定性了解






为下面实验的顺利进行做铺垫





















锻炼学生的观察理解能力








锻炼学生的动手操作能力









掌握平衡摩擦力的方法
























锻炼学生的处理数据的能力和归纳总结能力。



























锻炼学生的记忆能力掌握实验中的细节










锻炼学生的观察理解能力




锻炼学生的动手操作能力




























锻炼学生的处理数据的能力和归纳总结能力。






















锻炼学生自主学习的能力









巩固本节知识











课堂小结
1、实验目的：:定量分析a、F、m的关系。
2、实验方法：控制变量法
3、实验思路（1）保持物体的质量不变，研究加速度与力的关系。
（2）保持物体受力不变，研究加速度与质量的关系。
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。
梳理自己本节所学知识进行交流
根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。
板书
一、实验：探究加速度与力、质量的关系
1、实验目的：:定量分析a、F、m的关系。
2、实验方法：控制变量法
3、实验思路
（1）保持物体的质量不变，测量不同力下的加速度。
（2）保持物体受力不变，测量不同质量下的加速度。

二、实验设计方案
1、实验设计1：用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
3、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。