第四章第2节实验:探究加速度与力、质量的关系 温州中学朱梦雪 、教材分析 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 下一节的重要铺垫。本节内容是探索规律的实验,重点就是让学生亲身体验探究过程。在教师的引导下学 生进行设计硏究,体会通过控制变量的物理研究方法与图像数据分析法。 、教学目标 知识与技能 理解物体运动状态的变化快慢,即加速度大小与力有关,也与质量有关。 2通过实验探究加速度与力和质量的定量关系。 过程与方法 1.使学生掌握在硏究三个物理量之间关系时,用控制变量法实现 2.指导学生根据原理去设计实验。 3.帮助学生会分析数据表格,利用图象寻求物理规律 情感态度与价值观 1通过实验探究激发学生的创新精神 2.使学生体验探索自然规律的艰辛与喜悦。 3培养学生的合作意识,相互学习、交流、共同提高的学习态度 教学重点难点 教学重点 1探究方案的制定(如何测量加速度与如何提供恒定外力并测量) 2实验数据的处理方法 教学难点 指导学生设计合理的方案,作出图象,得出结论。 四、教学用具: 第一组实验用具:附有滑轮与刻度尺的轨道两个、相同的小车2个、细线2条、钩码多个(用于提 供牵引小车的力和改变小车的质量)、一根1-2米的长细绳 第二组实验用具:附有滑轮与刻度尺的轨道、小车1个、光电门2个、细线1条、配重多个(用于 提供牵引小车的力和改变小车的质量)
第四章 第 2 节 实验：探究加速度与力、质量的关系 温州中学 朱梦雪 一、教材分析 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 下一节的重要铺垫。本节内容是探索规律的实验，重点就是让学生亲身体验探究过程。在教师的引导下学 生进行设计研究，体会通过控制变量的物理研究方法与图像数据分析法。 二、教学目标 知识与技能 1.理解物体运动状态的变化快慢，即加速度大小与力有关，也与质量有关。 2.通过实验探究加速度与力和质量的定量关系。 过程与方法 1.使学生掌握在研究三个物理量之间关系时，用控制变量法实现。 2.指导学生根据原理去设计实验。 3.帮助学生会分析数据表格，利用图象寻求物理规律。 情感态度与价值观 1.通过实验探究激发学生的创新精神。 2.使学生体验探索自然规律的艰辛与喜悦。 3.培养学生的合作意识，相互学习、交流、共同提高的学习态度。 三、教学重点难点 教学重点 1.探究方案的制定（如何测量加速度与如何提供恒定外力并测量） 2.实验数据的处理方法 教学难点 指导学生设计合理的方案，作出图象，得出结论。 四、教学用具： 第一组实验用具：附有滑轮与刻度尺的轨道两个、相同的小车 2 个、细线 2 条、钩码多个（用于提 供牵引小车的力和改变小车的质量）、一根 1-2 米的长细绳。 第二组实验用具：附有滑轮与刻度尺的轨道、小车 1 个、光电门 2 个、细线 1 条、配重多个（用于 提供牵引小车的力和改变小车的质量）
五、教学过程 1、引入 上节课我们学习了牛顿第一定律,请同学们回想牛顿第一定律阐述了什么内容? 学生答:牛顿第一定律谈到一切物体总是保持匀速直线运动或静止的状态,除非作用在它上面的力迫 使它改变这种状态。 也就是说力能使物体的速度发生变化,产生加速度。那么当一个力作用在物体上时,物体的加速度大 小又和哪些因素有关呢?带着这个问题,我们一起来观看两个视频。 多媒体播放视频一:自制简易版仪器分离花生壳与花生膜 同学们从该视频中可以得出什么结论呢? 学生答:在相同大小的风力作用下,花生膜飞走了,花生果仁留下了。当力的大小一定时,质量越大 加速度越小 多媒体播放视频二:弹力汽车在不同大小的弹力作用下的运动 同学们从这个视频中又可以得到怎样的结论呢? 学生答:两辆相同的小车从不同的位置拉回起点,使得小车内弹簧的拉力大小不同,拉力大的小车先 到达终点,说明小车的加速度大。也就是说当物体质量一定时,力越大,加速度越大。 图 图2 总结:从以上两个视频中我们可以得到结论: 当力的大小一定时,质量越大,加速度越小 当物体质量一定时,力越大,加速度越大。 从这两个视频中我们可以看出物体的加速度与物体的质量和它受到的力有关生活中是否还有其他实 例也能说明它们之间的关系? 学生回答 质量大的物体加速度小如:并驾齐驱的大货车与小汽车在相同的制动力下,小汽车停下来用的时间 2受力大的物体加速度大如:赛车和普通小汽车质量相近,但赛车安装了强大的发动机,牵引力大 提速很快 点评:通过类似的实例使学生获得感性认识,为下一步定量研究作好铺垫.下面我们来定量探究一下 这三个量之间的关系。) 看来我们已经得到加速度的大小与物体的受力和物体的质量之间的定性关系,但是物理研究不能只满 足与这样的定性关系,这节课我们就一起来探究这三者的定量关系。(板书:标题) 2、正课 21研究方法 若想要研究这三个物理量之间的关系,我们应该使用怎样的研究方法? 学生答:控制变量法 如何进行控制变量呢? 学生答:当研究三个物理量之间的关系时,先要保持某个量不变,研究另外两个量之间的关系。再保 持另一个量不变时,研究其余两个量之间的关系。当我们探究加速度大小与力的关系时,我们控制物体质
五、教学过程 1、引入 上节课我们学习了牛顿第一定律，请同学们回想牛顿第一定律阐述了什么内容？ 学生答：牛顿第一定律谈到一切物体总是保持匀速直线运动或静止的状态，除非作用在它上面的力迫 使它改变这种状态。 也就是说力能使物体的速度发生变化，产生加速度。那么当一个力作用在物体上时，物体的加速度大 小又和哪些因素有关呢？带着这个问题，我们一起来观看两个视频。 多媒体播放视频一：自制简易版仪器分离花生壳与花生膜 同学们从该视频中可以得出什么结论呢？ 学生答：在相同大小的风力作用下，花生膜飞走了，花生果仁留下了。当力的大小一定时，质量越大， 加速度越小。 多媒体播放视频二：弹力汽车在不同大小的弹力作用下的运动 同学们从这个视频中又可以得到怎样的结论呢？ 学生答：两辆相同的小车从不同的位置拉回起点，使得小车内弹簧的拉力大小不同，拉力大的小车先 到达终点，说明小车的加速度大。也就是说当物体质量一定时，力越大，加速度越大。 图 1 图 2 总结：从以上两个视频中我们可以得到结论： 当力的大小一定时，质量越大，加速度越小。 当物体质量一定时，力越大，加速度越大。 从这两个视频中我们可以看出物体的加速度与物体的质量和它受到的力有关生活中是否还有其他实 例也能说明它们之间的关系？ 学生回答： 1.质量大的物体加速度小.如：并驾齐驱的大货车与小汽车在相同的制动力下，小汽车停下来用的时间 少. 2.受力大的物体加速度大.如：赛车和普通小汽车质量相近，但赛车安装了强大的发动机，牵引力大， 提速很快. （点评：通过类似的实例使学生获得感性认识，为下一步定量研究作好铺垫.下面我们来定量探究一下 这三个量之间的关系。） 看来我们已经得到加速度的大小与物体的受力和物体的质量之间的定性关系，但是物理研究不能只满 足与这样的定性关系，这节课我们就一起来探究这三者的定量关系。（板书：标题） 2、正课 2.1 研究方法 若想要研究这三个物理量之间的关系，我们应该使用怎样的研究方法？ 学生答：控制变量法。 如何进行控制变量呢？ 学生答：当研究三个物理量之间的关系时，先要保持某个量不变，研究另外两个量之间的关系。再保 持另一个量不变时，研究其余两个量之间的关系。当我们探究加速度大小与力的关系时，我们控制物体质
量不变,改变力的大小,测量加速度。当探究加速度大小与质量的关系时,我们控制合外力大小不变,改 变物体质量,测量加速度 22研究对象 为了使问题更加明确,我们以小车为研究对象,研究这辆小车在平直轨道上的运动。小车的前端挂有 细线,细线绕过滑轮挂有重物,为小车提供一个恒定的拉力。 23研究方案 让学生阅读课本,根据课本内容或参考老师给出的教具,针对本节课探究的内容设计一个合理的实验 方案,思考在该方案中各个物理量的测量方法,并画出实验草图。 制定实验方案时的两个问题:1.怎样测量(或比较)物体的加速度。2如何提供恒定的合外力 方案一:用打点计时器探究加速度与力和质量的关系 学生简述实验思路:运用控制变量法探究加速度与力和质量的关系。当探究加速度与力的关系时,控 制小车质量不变,改变钩码的数量,运用打点计时器测量加速度,将测得的加速度与对应的拉力数据进行 分析。探究加速度与质量关系时,控制钩码数量不变,改变小车质量,同样利用打点计时器测得加速度 并分析数据。 这个实验方案很好的利用了打点计时器来测量加速度,那么该实验中的外力如何测量? 学生回答:钩码的重力 钩码的重力是小车所受合外力吗?我们一起对在平直轨道上运动的小车进行受力分析 FN F mg 我们通过受力分析可以发现小车在轨道上运动所受的合外力是绳对小车的拉力减去摩擦力,我们必须 要使绳拉小车的力成为小车受到的合力,否则还要计算滑动摩擦力,使问题复杂化,那么怎样抵消摩擦力 的影响 学生回答:抬高斜面,使重力沿斜面的分力可以平衡摩擦力。若小车可以在不受拉力的情况下,在该 斜面上匀速运动,则可以判断已平衡摩擦力
量不变，改变力的大小，测量加速度。当探究加速度大小与质量的关系时，我们控制合外力大小不变，改 变物体质量，测量加速度。 2.2 研究对象 为了使问题更加明确，我们以小车为研究对象，研究这辆小车在平直轨道上的运动。小车的前端挂有 细线，细线绕过滑轮挂有重物，为小车提供一个恒定的拉力。 2.3 研究方案 让学生阅读课本，根据课本内容或参考老师给出的教具，针对本节课探究的内容设计一个合理的实验 方案，思考在该方案中各个物理量的测量方法，并画出实验草图。 制定实验方案时的两个问题：1.怎样测量（或比较）物体的加速度。2.如何提供恒定的合外力 方案一：用打点计时器探究加速度与力和质量的关系 学生简述实验思路：运用控制变量法探究加速度与力和质量的关系。当探究加速度与力的关系时，控 制小车质量不变，改变钩码的数量，运用打点计时器测量加速度，将测得的加速度与对应的拉力数据进行 分析。探究加速度与质量关系时，控制钩码数量不变，改变小车质量，同样利用打点计时器测得加速度， 并分析数据。 这个实验方案很好的利用了打点计时器来测量加速度，那么该实验中的外力如何测量？ 学生回答：钩码的重力。 钩码的重力是小车所受合外力吗？我们一起对在平直轨道上运动的小车进行受力分析。 我们通过受力分析可以发现小车在轨道上运动所受的合外力是绳对小车的拉力减去摩擦力，我们必须 要使绳拉小车的力成为小车受到的合力，否则还要计算滑动摩擦力，使问题复杂化，那么怎样抵消摩擦力 的影响呢？ 学生回答：抬高斜面，使重力沿斜面的分力可以平衡摩擦力。若小车可以在不受拉力的情况下，在该 斜面上匀速运动，则可以判断已平衡摩擦力。 F Ff mg FN
方案二:用秒表探究加速度与力和质量的关系 让物体做初速度为零的匀加速直线运动,用刻度尺测量物体运动的位移,用秒表测量出运动的时间 由x=-at2公式算出 方案三:用双轨道探究加速度与力和质量的关系 以上两中方法的共同特点是直接测出了加速度的大小,方案一中用打点计时器测加速度数据处理过程 较为复杂,方案二中用秒表测量运动时间误差较大。我们要探究的是加速度与其他量之间的比例关系,如 果不直接测出加速度,我们能否找出加速度和这两个量之间的定量关系呢? 学生回答:如果测出两个初速度为零的匀加速直线运动在相同时间内发生的位移x、x,由于 由于t相同,则加速度与位移成正比 1_x 为了使两辆小车能够同时出发,同时停止运动,我准备了以下实验方案: 实验器材:附有滑轮与刻度尺的轨道两个、相同的小车2个、细线2条、钩码多个(用于提供牵引小 车的力和改变小车的质量)、一根1-2米的长细绳 小求的質量200g,配 重邮部50g (由于课本上的实验方案:由夹子难以夹紧细绳而不发生滑动,本实验在其基础上进行改装,将绳子
方案二：用秒表探究加速度与力和质量的关系 让物体做初速度为零的匀加速直线运动，用刻度尺测量物体运动的位移，用秒表测量出运动的时间， 由 x= 2 1 at2 公式算出。 方案三：用双轨道探究加速度与力和质量的关系 以上两中方法的共同特点是直接测出了加速度的大小，方案一中用打点计时器测加速度数据处理过程 较为复杂，方案二中用秒表测量运动时间误差较大。我们要探究的是加速度与其他量之间的比例关系，如 果不直接测出加速度，我们能否找出加速度和这两个量之间的定量关系呢？ 学生回答：如果测出两个初速度为零的匀加速直线运动在相同时间内发生的位移 x1、x2，由于 2 2 1 x = at 。由于 t 相同，则加速度与位移成正比 2 1 2 1 x x a a = 。 为了使两辆小车能够同时出发，同时停止运动，我准备了以下实验方案： 实验器材：附有滑轮与刻度尺的轨道两个、相同的小车 2 个、细线 2 条、钩码多个（用于提供牵引小 车的力和改变小车的质量）、一根 1-2 米的长细绳。 （由于课本上的实验方案：由夹子难以夹紧细绳而不发生滑动，本实验在其基础上进行改装，将绳子 X1 X2 小车的质量为 200g,配 重的钩码为 50g
尾部用同一根细线系好,当细线被拉直时,两辆小车同时停止运动) 演示实验1探究加速度与力的关系:两辆小车放有相同的配重,轨道1上的小车所连细线末端挂上两 个钩码,轨道2上的小车所连细线末端挂上一个钩码,两辆小车从同一位置释放,当绳子被拉直时,让学 生根据小车所停留的位置读出其位移大小。根据实验现象可以得到位移与力成正比,则根据实验原理可证 明当小车质量一定时,加速度与力成正比。 演示实验2探究加速度与质量的关系:在两辆小车所连的细线末端挂上相同数量的钩码,小车1不放 配重,质量为200g,小车2放4个配重,质量为400g。两辆小车从同一位置释放,当绳子被拉直时,让 学生根据小车所停留的位置读出其位移大小。根据实验现象可以得到位移与小车质量成反比,则根据实验 原理可证明当力的大小一定时,加速度与力成正比。 方案四:用光电门探究加速度与力和质量的关系 方案三仍存在较大误差,为了更精确的探究这三个物理量之间的关系,我们采用光电门来进行探究 小 重6 小事邮量65g,职 1西5g 2ax=v-1 实验器材:附有滑轮与刻度尺的轨道、小车1个、无线光电门2个、无线接收器、细线1条、配重多个(用 于提供牵引小车的力和改变小车的质量)。 实验原理:光电门可以测出挡光片的挡光时间,则可以求出小车在两个光电门处的瞬时速度。 d 2 由刻度尺可读出两个光电门之间的距离X 1 演示实验3: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 实验数据记录表格,如: 砝码拉力近似值/光电门门 质 记录时/滑块速度光电门2记 滑块速度光电门1、 f(g= 录时间/(s 量(g)10m/) /(s) (m/s) e(m)/2间滑块加速 距离/cm) 度a(m/s2) 25
尾部用同一根细线系好，当细线被拉直时，两辆小车同时停止运动） 演示实验 1 探究加速度与力的关系：两辆小车放有相同的配重，轨道 1 上的小车所连细线末端挂上两 个钩码，轨道 2 上的小车所连细线末端挂上一个钩码，两辆小车从同一位置释放，当绳子被拉直时，让学 生根据小车所停留的位置读出其位移大小。根据实验现象可以得到位移与力成正比，则根据实验原理可证 明当小车质量一定时，加速度与力成正比。 演示实验 2 探究加速度与质量的关系：在两辆小车所连的细线末端挂上相同数量的钩码，小车 1 不放 配重，质量为 200g，小车 2 放 4 个配重，质量为 400g。两辆小车从同一位置释放，当绳子被拉直时，让 学生根据小车所停留的位置读出其位移大小。根据实验现象可以得到位移与小车质量成反比，则根据实验 原理可证明当力的大小一定时，加速度与力成正比。 方案四：用光电门探究加速度与力和质量的关系 方案三仍存在较大误差，为了更精确的探究这三个物理量之间的关系，我们采用光电门来进行探究。 实验器材：附有滑轮与刻度尺的轨道、小车 1 个、无线光电门 2 个、无线接收器、细线 1 条、配重多个（用 于提供牵引小车的力和改变小车的质量）。 实验原理：光电门可以测出挡光片的挡光时间，则可以求出小车在两个光电门处的瞬时速度。 v1 = d t 1 v2 = d t 2 由刻度尺可读出两个光电门之间的距离 X 2 1 2 2ax = v 2 − v 演示实验 3：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。 实验数据记录表格，如： 砝码 质 量/(g) 拉力近似值 F(g＝ 10m/s2 ) 光电门 1 记录时间 /(s) 滑块速度 v1 (m/s) 光电门 2 记 录时间/(s) 滑块速度 v2(m/s) 光电门 1、 2 间 距离/(cm) 滑块加速 度 a(m/s2 ) 10 15 20 25 t1 t2 X d 2 1 2 2 2 ax = v − v 小车的 质量为 100g,配 重为 50g 小桶的质量为 5g,配 重为 5g