第四章 2.实验：探究加速度与力、质量的关系-【金版新学案】2023-2024学年新教材高一物理必修第一册同步课堂高效讲义教师用书（人教版）

2．实验：探究加速度与力、质量的关系 【学习目标】 学科知识 学科能力 学科素养 1．实验方法和原理 2．数据分析与处理 3．实验误差分析及注意事项 1．了解实验原理和利用控制变量法进行实验的方法 2．会采用不同实验方案探究加速度与力、质量的关系 3．能根据图像得出加速度与力、质量的关系 通过设计实验探究加速度与力、质量的关系的方案，培养学生的探究思维；通过对实验数据的分析与处理，培养学生科学的推理能力 一、实验原理 1．实验的基本思想——控制变量法 (1)保持研究对象即小车的质量不变，改变槽码的个数可以成倍地改变小车所受拉力，即改变作用力，测出小车的对应加速度，验证加速度是否正比于作用力。 (2)保持小车所受拉力不变，改变研究对象即小车的质量，测出对应不同质量的加速度，验证加速度是否反比于质量。 学生用书↓第96页 2．三个物理量的测量方法 (1)小车质量的测量：利用天平测出，在小车上增减砝码可改变小车的质量。 (2)拉力的测量：当槽码的质量远小于小车质量的情况下，可以认为槽码的总重力近似等于小车所受的拉力(合外力)。 (3)加速度的测量：由纸带根据公式Δx＝aT2，结合逐差法计算出小车的加速度。 二、实验器材 小车、槽码、砝码、细绳、一端附有定滑轮的长木板、垫木、打点计时器、交变电源、纸带、刻度尺、天平。 三、实验步骤 1．用天平测出小车的质量M，并把数值记录下来。 2．按如图所示的装置把实验器材安装好(小车上先不系绳)。 3．补偿阻力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一木块，反复移动木块位置，直到轻推小车在斜面上运动时可保持匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等)。 4．细绳一端挂槽码，另一端绕过定滑轮系在小车上，在小车上加放适量的砝码，用天平测出槽码的质量m，记录下来。接通电源，放开小车，待打点计时器在纸带上打好点后取下纸带，并设计表格如下。 表1 次数 1 2 3 4 5 6 小车加速度a/(m·s－2) 槽码的质量m/kg 拉力F/N 5．保持小车(含砝码)的质量不变，改变槽码的质量，按步骤4做6次实验。 6．在每条纸带上选取一段比较理想的部分，利用逐差法计算出每条纸带对应的加速度的值，填入相应表格中。 7．保持槽码的质量不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，把数据记录到下面的表格中。 表2 次数 1 2 3 4 5 6 小车加速度a/(m·s－2) 小车(含砝码)质量M/kg /kg－1 8．整理实验器材，结束实验。 四、数据处理 1．由表1中记录的数据，以a为纵坐标、F为横坐标，根据数据作a -F图像(如图甲所示)，找出规律，分析a与F的关系。 2．由表2中记录的数据，分别以a为纵坐标、M和为横坐标，根据数据作a -M图像和a-图像(如图乙、丙所示)，分析a与M的关系。 3．实验结论 (1)保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受力F成正比。 (2)在力F不变时，物体的加速度a与质量M成反比。 学生用书↓第97页 五、误差分析 种类 产生原因 减小方法 偶然误差 质量测量不准、计数点间距测量不准 多次测量求平均值 小车所受拉力测量不准 ①准确平衡摩擦力 ②使细绳和纸带平行于木板 作图不准 使尽可能多的点落在直线上或均匀分布在直线两侧，误差较大的点舍去 系统误差 槽码的总重力代替小车所受的拉力 使槽码的总质量远小于小车的质量 六、注意事项 1．打点前小车应靠近打点计时器且应先接通电源后释放小车。 2．在补偿阻力时，不要悬挂槽码，但小车应连着纸带且接通电源。用手轻轻地给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点的间隔均匀，表明小车受到的阻力跟它受到的重力沿斜面向下的分力平衡。 3．改变槽码的质量的过程中，要始终保证槽码的质量远小于小车的质量。 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地对称分布在直线的两侧，但若遇到个别偏离较远的点可舍去。 一　教材原型实验 在研究作用力F一定时，小车的加速度a与小车(含砝码)质量M的关系的实验中，某同学安装的实验装置和设计的实验步骤如下： A．用天平称出小车和槽码的质量 B．按图安装好实验器材 C．把细绳系在小车上并绕过定滑轮悬挂槽码 D．将电磁打点计时器接在6 V电压的蓄电池上，接通电源，释放小车，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．保持槽码的质量不变，增加小车上的砝码个数，并记录每次增加后的M值，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a -M关系图像，并由图像确定