4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系 教学设计 -2023-2024学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

实验：探究加速度与力、质量的关系 一、教学目标 1.物理观念 （1）明确实验的操作步骤和各种注意事项，理解实验数据的各种处理方法 （2）经历探究加速度与物体受力、物体质量的关系的过程，设计出方便的表格。 2.科学思维 学会观察和分析生活中有关物理知识的实例与实验现象，具有初步的观察能力、分析概括能力。 3.科学探究 通过实践和探究，让学生感觉科学就在身边。培养学生对科学的求知欲，乐于探索自然现象和日常生活中的物理学道理的精神，树立正确的世界观和唯物主义观。 4.科学态度与责任 培养学生观察思考，勇于发现乐于探究的学习习惯，以及应用物理知识解决实际问题的能力。 二、教学重难点 教学重点：如何提出实验方案并使实验方案合理可行。 教学难点：实验数据的分析与处理。 三、教学分析 学生们在前面已经学习了力、物体的运动描述、以及牛顿第一定律。对力与运动的关系有了简单的认识。也对测量物体运动的加速度方法和实际操作都比较熟悉。在本节教学中，我们将教材中一节课的内容分解为两节课进行教学：第一小节是探究加速度与力、质量关系的实验方案的确定；第二节是在实验室中根据学校实际所有器材进行实验探究加速度与力、质量关系的研究，力图在本节课让学生体会探究过程，并且在探究中找到加速度与力、质量的关系。 四、教学过程 一、引入课题 通过复习牛顿第一定律引入本节课的内容，然后通过下面一系列的问题，使学生思考采用什么样的方法来验证猜想。 问题1：上一节我们学习什么？（牛顿第一定律）请同学们说出牛顿第一定律内容，并猜想加速度大小跟什么有关？ （教师注意：学生可能猜出质量和力以外的因素，教师引导或告之本节课只探究加速度与力和质量的关系。） 问题2：能否从理论上分析力越大，加速度越大；质量越大，加速度越小？ 参考答案：力是改变运动状态的原因，力大运动状态容易改变，而运动状态的改变快慢是用加速度来描述的，因此力大，加速度大；质量是惯性大小的量度，质量大，惯性大，运动状态难改变，即加速度小。二、实验设计 问题3：研究一个物理量同时与两个物理量有什么定量关系，应当采用什么方法？学生很容易回答出用控制变量法。 问题4：初中用过这种办法吗？举例说明。（安排此问题的目的是向学生进行物理学研究方法的教育） 参考：在讨论电流与电压、电阻两个量是什么关系时；在讨论压强与压力、作用面积两个量是什么关系时等。 总结方法：保持质量一定，怎样研究加速度与力的关系；或保持力一定，怎样研究加速度与质量的关系？ 问题5：我们需要测量哪几个物理量？如何测量？ 学生会回答出用打点计时器测出几个加速度及所对应的小车的质量和受到的力。可以用天平或弹簧测力计测小车的质量。 若不提测加速度，可追问如何测出加速度。引导学生用第二章的实验装置，并展示。 问题6：这里的力是哪个力？如何测量呢？若学生回答：这里的力指的是小车受到的合力，可以把每个力测出来然后求出合力。教师要引导学生分析两个替代： 1、绳子的拉力替代小车的合力。 问题7：我们能否只需测量出拉力，用绳子的拉力代替小车受到的合力？需要怎样做？ 满足两点： （1）除了绳子的拉力以外，其它的力合力为零。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，直至不挂重物的小车在斜面上运动时可保持匀速运动状态。 （2）有绳子拉力时，其它力都不会发生变化。调节滑轮使绳子与木板平行而不是水平。 这个过程叫平衡摩擦力。 2、托盘和砝码的重力替代绳子的拉力 问题8：绳子的拉力怎样测量？（可以用拉力传感器接在绳子上，直接测量绳子的拉力。）如果没有拉力传感器，可以用托盘和砝码的重力替代吗？ 分析：当物体保持平衡时，这两个力相等。可是这里小车是做匀加速直线运动，所以托盘与砝码的重力大于绳子的拉力。如果加速度很小，我们可以近似认为它们相等。所以该实验需要满足一个条件：砝码和托盘的质量m远小于小车的质量M。这样就确保加速度很小（一般要小于1m/s2）。 三、分析数据处理方法： 问题9：请同学们猜一猜加速度与力、质量有什么定量关系。我们怎样判断我们的猜想是否正确？ 学生容易根据力大加速度大猜想加速度大小跟力成正比；根据质量大加速度小猜想加速度大小跟质量成反比。 1、判断加速度与力的正比关系： 可以用拉力F为横坐标，加速度a为纵坐标，描绘a—F图像，看图像是否为过原点的倾斜直线（一次函数图像），若是则说明a与F成正比。 2、判断加速度与质量的反比关系： 看是否为过原点的倾斜直线，若是则说明a与M成反比。 四、学生分组实验 分组：2-4人一小组，4-6小组为一大组，共四大组。如果一节课时间不够可以安排两大组做质量一定时，探究小车的加速度与合外力的关系（可以让一大组不满足条件：M>>m）。另两大组做拉力一定时，小车的加速度与小车质量的关系（同样可以让一大组不满足条件：M>>m）