(教案)第5章 第2节 科学探究：加速度与力、质量的关系-【提分教练】2022-2023学年新教材高中物理必修第一册(鲁科版2019)

第2节　科学探究：加速度与力、质量的关系 学业要求＋核心素养 1．通过情景分析明确实验原理，知道实验所需器材，初步熟悉实验步骤。(物理观念) 2．知道应用控制变量法探究加速度与力、质量间的关系。(科学思维) 3．利用图像法处理实验数据，并会误差分析及改进。(科学探究) 【思考交流】 1．用同样大小的力推质量不同的小车，哪一个速度变化快？ 提示：质量小的。 2．用大小不同的力推质量相同的小车，哪一个速度变化快？ 提示：力大的。 3．哪些因素会影响物体加速度的大小？ 提示：物体所受到的合外力和物体的质量。 4．加速度和力、质量之间可能存在什么关系呢？ 提示：物体所受到的力越大，加速度越大；物体的质量越大，加速度越小。 【预习探究】 怎样探究物体的加速度和力、质量之间可能存在的定量关系呢？ 提示：研究方法：控制变量法。 保持m不变，研究a 与F的关系； 保持F不变，研究a与m的关系。 【实验提醒】 1．小车与其上砝码的总质量M：用天平测量。 2．小车的加速度a：利用打点计时器打出的纸带，由Δs＝aT2来计算。 3．小车所受的合外力F：用天平测量小桶和沙子的总质量，由G＝mg来计算。 4．结合教材提供的实验器材，请讨论： (1)怎样改变小车的质量？ 提示：通过在小车上增减砝码的方法来改变小车质量。 (2)如何测量小车所受的合外力？ 提示：将长木板倾斜一定角度θ，θ满足方程mgsin θ＝μmgcos θ，此时小车在斜面上受到的合外力为0，摩擦力f等于小车重力沿斜面向下的分力G1。由于小车的重力、支持力、摩擦力相互抵消，实验中小车受到的合外力就等于绳子的拉力了。 (3)应当如何确定平衡了摩擦力？ 提示：不挂托盘，使小车拖着纸带，纸带通过打点计时器，并且使打点计时器处于工作状态，逐渐调节木板的倾角，使打在纸带上的点均匀分布，则说明小车做匀速直线运动，即平衡了摩擦力。 (4)怎样探究加速度a和小车所受的力F之间的关系？ 提示：保持小车的质量不变，测量小车在不同的合力作用下的加速度，分析加速度与合外力的关系。 (5)怎样探究加速度a和小车质量M之间的关系？ 提示：保持小车所受的合外力相同，测量不同质量的小车在该力的作用下的加速度，分析加速度与质量的关系。 【实验器材】 一端附有定滑轮的长木板、小车、带小钩的细绳、沙子和小桶、打点计时器、纸带及复写纸片、刻度尺、低压交流电源、导线、砝码、天平(带有一套砝码)。 【实验步骤】 1．用天平分别测出小车的质量和小桶的质量，把数据记录下来。 2．按如图所示安装器材。 3．平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木块，反复移动薄木块的位置，直至不挂重物的小车在斜面上运动时可保持匀速直线运动状态。这时小车拖着纸带运动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．在小车上加放砝码，小桶里放入适量的沙子，把砝码和沙子的质量记录下来。把细线系在小车上并绕过滑轮悬挂小桶，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，取下纸带，在纸上写上编号。 5．绳子的拉力等于小桶和沙子的重力吗？为什么？什么情况下小桶和沙子的重力可以近似等于绳子拉力(即小车所受的合外力)? 提示：绳子的拉力并不等于小桶和沙子的重力，因为实验中小桶与小车一起做匀加速直线运动，因此绳子的拉力应该小于小桶和沙子的重力。理论计算发现当小桶和沙子质量比小车质量小得多时，绳子的拉力近似等于小桶和沙子的重力，即小车受到的合外力近似等于小桶和沙子的重力。 6．保持小车及车内砝码的质量不变，改变沙子的质量(要用天平称量)，按步骤4再做几次实验，将实验时记录的数据填入表1中。 7．算出每条纸带对应的加速度的值并填入表1中。 表1　物体的质量一定，加速度与力的关系 实验次数 加速度a/(m·s－2) 小车受力F/N 1 2 3 4 8．保持沙子和小桶的质量不变，在小车上增减砝码，重复上述步骤4，将实验时记录的数据填入表2中。 9．算出每条纸带对应的加速度的值并填入表2中。 表2　物体受到的合外力一定，加速度与质量的关系 实验 次数 加速度 a/(m·s－2) 小车及车内砝 码质量M/kg 小车及车内砝码 质量的倒数/kg－1 1 2 3 4 【数据处理】 1．探究加速度与力的关系：以a为纵坐标、F为横坐标，根据表1中的各组数据在坐标系中描点。如果这些点在一条过原点的直线上，说明a与F成正比，如图所示。 2．在探究加速度与质量的关系时为什么建立a- 图像？ 提示：“a与M成反比”就是“a与成正比”。以a为纵坐标，为横坐标建立坐标系，可“化曲为直”，得到过原点的直线，如图所示。 【误差分析】 1