人教版必修一4.2《实验：探究加速度与力、质量的》WORD教案13

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1、4.24.2 实验：探究加速度与力、质量的关系实验：探究加速度与力、质量的关系 学案学案理解领悟探究性实验是以获取新知识为目的的学习方法。要在深入领会牛顿第一定律的基础上， 确定研究课题和方法，设计探究加速度、力、质量三者关系的研究方案，并体会探究过程 所用的科学方法控制变量法。 基础级基础级1 1 实验要探究的内容实验要探究的内容 力是物体产生加速度的原因，有力作用在物体上，就有加速度产生，且力越大，产生 的加速度也越大。在相同力的作用下，加速度的大小还与物体的质量有关。因此，本实验 要探究的内容是寻找加速度与力、质量三者间的关系。 2 2 探究实验的设计思路探究实验的设计思路 加速度既与力

2、有关，又与质量有关，怎样通过实验研究它们间的关系呢？当一个物理 量与多个因素有关时，为了弄清它们之间的关系，物理学中常用的一种方法叫做“控制变 量法” ，即：首先保持物体的质量不变，研究加速度与力的关系；然后保持物体所受的外力 不变，研究加速度和质量的关系；最后经过总结推理，得出加速度与力、质量的关系。 本实验需要测量的物理量有加速度、力与质量，其中质量可用天平测量。那么，怎样 测量（或比较）加速度呢？又怎样对物体提供和测量恒力呢？ 3 3 怎样测量（或比较）物体的加速度怎样测量（或比较）物体的加速度 在第二章中，我们已经介绍过，运用打点计时器在与运动物体连接的纸带上打点，由 纸带上打出的点来

3、测量加速度的方法。 由于本实验的目的是探究加速度与力、加速度与质量间的比例关系，因而也可不测加 速度的具体数值，而测不同条件下加速度的比值。若两物体做初速度为 0 的匀加速运动，由可得，物体的加速度与在相同时间内发生的位移成正比，即a x。2 21atx 4 4 怎样提供和测量物体所受的恒力怎样提供和测量物体所受的恒力 我们以教材提供的实验“参考案例”为例，教材图 4.2-4 所示实验装置中，为实验研 究对象小车（连同车内的砝码）提供恒力的是小盘和砝码。实验中我们认为，使小车 做匀加速运动的力，与小盘和砝码的重力大小相等。为此，必须满足以下两个实验条件： 水平板应尽可能光滑，最好将水平板的一端

4、垫高成为倾角不大的斜面，轻轻推动 小车（未挂小盘） ，使小车能在板上匀速运动，即用小车重力沿斜面方向的分力平衡摩擦力。 小盘和砝码的质量要比小车的质量小很多。对此，学习了本章第七节“用牛顿定 律解决问题（二） ”中的“超重与失重” ，你就明白了。 5 5 实验注意事项实验注意事项 对于教材提供的实验“参考案例” ，操作时应注意以下几点： 牵引小车的砝码应有 10g、20g、50g 等规格。没有小规格砝码，可用沙桶装沙替 代，质量用天平称量。 探究加速度与力的关系：小车质量为 200g，两车上面均可加 100g 左右的砝码。保 持其中一个小车所挂砝码不变（如 20g） ，另一小车所挂砝码逐渐加大

5、，但不要过大。砝码 质量过大，会使图象线性变差。来源:学.科.网 探究加速度与质量的关系：一车质量固定为 300g，另一车质量可自 200g 起，逐次增加砝码至 700g800g。牵引小车的砝码以 30g40g 为宜。小车质量过大，夹子不容易夹 注车后拖线，造成位移误差。 小车后所系线绳要用适当粗些的棉绳，当夹子夹住线绳时不会滑动。如果用表面 较光滑的尼龙绳，当夹子闭合时线绳还会被小车拖一段距离才会停住。解决的办法可在尼 龙绳上擦一些松香，以增大线绳与夹子之间的摩擦力。 选择口宽、弹力大的夹子，使夹子张开和闭合动作要迅捷有力。动作缓慢，会使 某些夹子张开夹口时两侧张开的程度不一样，张开较小的一

6、侧所控制的小车拖绳受阻，影 响到小车运动。 注意小车运动停止的位置不能与定滑轮相碰。实验中如果小车碰到定滑轮才松手 让夹子夹住拖线，则与定滑轮相碰的小车位移偏小而产生误差。 6 6 数据处理方法数据处理方法 本实验的数据处理可以采用计算法和图象法两种不同的方法： 计算法 测得加速度或加速度之比（等于位移之比）后，通过计算看看是否满足、。2121 FF aa1221 mm aa 图象法 测得加速度后，用拉力F为横坐标，加速度a为纵坐标，描绘aF图象，看看图象是否为过原点的倾斜直线；用为横坐标，加速度a为纵坐标，描绘a图m1 m1象（想想看，为什么不是描绘am图象） ，看看图象是否为过原点的倾斜直

7、线。或者在测 得加速度之比（等于位移之比）后，用两车拉力之比F2/F1为横坐标，两车位移之比x2/x1 表示加速度之比a2/a1为纵坐标，描绘aF图象，看看图象是否为过原点的倾斜直线；用m1/m2为横坐标，加速度a2/a1为纵坐标，描绘a图象，看看图象是否为过原点的倾斜m1直线。 发展级发展级7.7. 测量加速度的一些设想测量加速度的一些设想 在探究加速度与力、质量关系的实验中，测量（或比较）加速度是关键。那么，如何 测量（或比较）加速度呢？就我们现有的知识水平而言，涉及加速度的公式或关系式大致 有以下这些：加速度的定义式 ，tvva0匀变速直线运动速度公式 ，atvv0匀变速直线运动位移公式

8、 ，来源:Z_xx_k.Com2 021attvx匀变速直线运动速度位移关系式 ，axvv22 02匀变速直线运动sT关系式 s=aT2。 可见，要测量（或比较）加速度a，只要测量（或比较）时间t、速度v、位移x或相 邻的相等时间T内的位移之差s即可。就实验仪器和装置而言，可以采用本节教材“参 考案例”中的实验装置，也可以利用打点计时器、气垫导轨等设备，或者借助运动传感器 用计算机测量。8.8. 两种测定加速度的仪器两种测定加速度的仪器 下面介绍两种测定加速度的仪器，供对此感兴趣的同学阅读，以开阔视野。 加速度仪利用压电晶体的压电效应的加速度仪，可以测量运动物体线加速度 和振动参数的仪器。它由

9、加速度传感器和放大器组成。用压电晶体制成的加速度传感器， 其输出端产生的电码与它所承受的加速度成正比。敏感元件由两片压电晶体圆片（鍺钛酸 铅）组成。圆片上按有一质量块。质量块由一个弹簧预先加载，整个组件安装在厚基座的 金属壳体内。当传感器随运动物体做加速运动时，质量块向压电晶体圆片施加一个与质量 块加速度精确地成比例的力。由于压电效应，在两个压电晶体圆片的两端产生一个电势差 （电压） 。这个电势差也与质量块的加速度成正比。 加速度计测量运载体线加速度的仪表。它的基本模型是：加速度计由检测质 量（也称敏感质量） 、支承、电位器、弹簧、阻尼和壳体组成。检测质量受支承压束只能沿 一条轴线移动。这个轴

10、常称为输入轴或敏感轴。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向做加 速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性检测质量力图保持其原来的运动状态不变。它与 壳体之间将产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹力作用下随之加速运动。当弹 簧弹力与检测质量加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对 运动。这时，弹簧形变反映被测加速度的大小。电位器作为位移传感元件，使加速度信号 转换为电信号，以供输出。加速度计本质上是一个自由度的振荡系统，须采用阻尼器来改 善系统的动态品质。应用链接本节课的应用主要涉及探究加速度与力、质量关系的实验设计思路、实验操作注意事 项、实验数据处理方法以及实验得出的正确

11、结论。 基础级基础级例例 1 1 请谈谈确定本实验研究课题的思路。 提示提示 注意教材运用逻辑判断确定物理量证监会的联系所进行的铺垫。 解析解析 从前几章知识可知，物体的速度是描述物体运动状态的物理量，物体的运动状 态变化，是以速度这一物理量的变化表现出来的，而我们已经学习过的加速度又是描述物 体速度变化快慢的物理量，所以第一个课题的确定就应是研究加速度与力的关系。而在相 同力的作用下，由于物体的惯性不同，速度变化的快慢也不同，质量是物体惯性大小的量 度，所以第二个课题的确定是研究加速度与质量的关系。 点悟点悟 实验研究课题的确立，为科学探究提出了一个明确的目标。要注意通过观察分 析或逻辑推理

12、，培养自己提出问题、确定研究课题的能力。 例例 2 2 在本探究实验中，为什么可用两车的位移之比表示加速度之比？ 提示提示 寻找物体的位移与加速度之间的关系。 解析解析 在本探究实验中，两车均做初速度为 0 的匀加速直线运动。由匀加速直线运动位移公式 ，2 021attvx式中v0=0，且两车的运动时间t相等，故有a x，即，2121 aa xx可用两车的位移之比表示加速度之比。 点悟点悟 当问题探究的是某物理量与其他物理量之间的比例关系时，可以不测出该物理 量的具体数值，只需测出不同情况下该物理量的比值就行了。例例 3 3 在利用打点计时器探究加速度与力、质量关系的实验中，以下做法正确的是（

13、 ） 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. 每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力 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，对探究过程也不会产生影响 提示提示 从实验条件和实验操作规范等方面加以考虑。来源:学*科*网 解析解析 平衡摩擦力时，不把悬挂重物用细绳通过定滑轮系在小车上，即不对小车施加 拉力。在木板无滑轮的一端下面垫一薄木块，反复移动其位置，直到拖在小车后面的纸带 上打出的点距均匀为止。设木板的倾角为，则平衡摩擦力后有mg sin = mg cos ，即 = arctan ，与小车的质量无关，故每次改变小车

14、的质量时，不需要重新平 衡摩擦力。实验时，应先接通电源，待打点计时器工作稳定后再放开小车。实验要求重物 的质量远小于小车的质量，因为只有这样，重物的重力才近似等于细绳对小车的拉力。正 确选项为 B。 点悟点悟 注意实验条件、平衡摩擦力的目的和做法，以及打点计时器的规范操作。例例 4 4 在研究加速度与质量的关系时，为什么要用为横坐标，加速度a为纵坐标，m1描绘a图象，而不是描绘am图象？m1提示提示 从图象反映物理量关系的直观性加以说明。 解析解析 根据我们的经验，在相同力的作用下，质量m越大，加速度a越小。这可能是 “a与m成反比” ，但也可能是“a与m2成反比” ，甚至可能是更复杂的关系。

15、我们从最简单的情况入手，检验是否“a与m成反比” 。实际上“a与m成反比”就是“a与成正比”m1，如果以为横坐标、加速度a为纵坐标建立坐标系，根据a图象是不是过原点的m1 m1直线，就能判断加速度a是不是与质量m成反比。 当然，检查am图象是不是双曲线，也能判断它们之间是不是反比例关系，但检查这条曲线是不是双曲线并不容易；而采用a图象，检查图线是不是过原点的倾斜直线，m1那就容易多了。所以，在研究加速度与质量的关系时，要描绘a图象，而不是描绘am图象。m1点悟点悟 “化曲为直” ，是实验研究中经常采用的一种有效方法。 发展级发展级例例5 5 在“探究加速度与力、质量的关系”这一实验中，有两 位同学通过测量，分别作出a一F图象，如图414（a） （b）中的 A、B线所示；试分析：(1) A线不通过坐标原点的原因是；来源:Zxxk.Com(2) B线不通过坐标原点的原因是。 提示提示 从图线在坐标轴上截距的物理意义着手分析。 解析解析 (1) A线在F轴上有一定的截距，表明F达到一定的值后小车才开始有加速度，aOF (a)aOF (b) 图 414AB这是没有平衡摩擦力，或平衡摩擦力不够引起的。 (2) B线在a轴上有一定的截距，表明F为 0 即不加F时小车已经有了一定的加速度， 这是平衡摩擦力时木板倾角太大，即平衡摩擦力过度引起的