2. 实验：探究加速度与力、质量的关系（教学课件）物理人教版2019必修第一册

第四章 运动和力的关系 人教版（2019）必修 第一册 2. 实验：探究加速度与力、质量的关系 目录 学习目标 重点难点 课堂导入 探究新知 课堂小结 课堂练习 布置作业 1 2 3 4 5 6 7 2 01 02 03 04 物理观念 知道加速度与合外力、质量的关系。 科学思维 通过探究实验的方式，借助不同的实验方案，明确加速度和合外力、质量的关系。 科学探究 通过从实验思路设计、物理量的测量、实验过程和数据分析几个方面引导学生完成探究。 科学态度与责任 鼓励学生提出科学问题;设计更多的实验方案;引导学生解决实验中遇到的问题;尝试用多种方法处理数据，基于实验数据得出结论;以及培养学生对探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。 学习目标 教学内容 实验思路 01 物理量的测量 02 进行实验与数据分析 03 实验结论与误差分析 04 教学重点 1 教学重点 2 教学难点 3 能够设计探究加速度与力、质量的关系实验方案。 能够完成实验的操作和测量过程，以及对数据的处理。 指导学生选器材、设计方案、进行实验、作出图像、得出结论。 重点难点 (1)由牛顿第一定律的学习，什么是改变物体运动状态的原因？ (2)由牛顿第一定律的学习，质量的大小对物体状态的改变是否有影响？ (3)我们知道描述物体状态改变的物理量是速度，那么速度变化的快慢我们通常用哪个物理量来描述？ (4)加速度与力、质量之间存在怎样的定量关系呢？ 课堂导入——思考与讨论 01 PART 01 第一部分 实验思路 探究新知 7 （1）当我们要探究某个物理量与另外两个或多个物理量之间的定量关系时，我们在探究过程中通常需要如何来做比较合理？ （2）我们在探究加速度与力、质量的关系时，我们应当如何应用控制变量法来进行实验？ （3）根据以上讨论，你认为实验过程中我们需要测量哪些物理量呢？ 探究新知——思考与讨论 （4）为最终实现对加速度与力、质量关系的探究，你是否可以用以下实验器材设计一个或几个方案完成这一任务呢？ 探究新知——思考与讨论 将小车置于水平木板上，通过滑轮与槽码相连。小车可以在槽码的牵引运动。 探究新知——实验装置 02 PART 02 第二部分 物理量的测量 探究新知 11 1.质量的测量：用天平测量 2.加速度的测量： 方法一：如果物体做初速度为零的匀加速直线运动，则可利用刻度尺测量位移和秒表测量时间，然后由公式 a=(2x)/t2可算出。 方法二：利用打点计时器进行实验，根据纸带上打出的点可测量加速度。 方法三：利用比值法。由于a=(2x)/t2测出两个初速度为零的匀加速运动在相同时间内发生的位移x1，x2，位移之比就是加速度之比 探究新知——物理量的测量 (1)在此实验中，通过测力计用手直接给小车施加一个恒力是否可行？ F (2)若不能用测力计直接给小车施加一个恒力，你认为哪种方法更合适？ (3)此种方法中，对于小车来说，受到几个力的作用？如何消除沿板方向摩擦力的影响呢？ 探究新知——思考与讨论 3.力的测量 (1)平衡摩擦力：把轨道的一端垫高，使重力的分力Gsinθ与摩擦力Ff平衡。 Gcosθ Gsinθ G θ θ FN Ff (2)具体操作：先不加细线，轨道无定滑轮一端垫高，使小车连同纸带下滑，若纸带上打出点间隔相等，则为匀速下滑，从而消除摩擦力的影响。 探究新知——物理量的测量 3.力的测量 (3)注意事项： ①多次测量，摩擦力只需要平衡一次摩擦； ②在槽码的质量远小于小车质量时，绳的拉力大小等于槽码重力大小。（学习了第三节后解释） 探究新知——物理量的测量 1.方案一：用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 实验装置如图 4.2-2 所示。把木板的一侧垫高，调节木板的倾斜度，使小车在不受牵引时能拖动纸带沿木板匀速运动。通过改变槽码的个数而改变小车所受的拉力，通过处理打点计时器打下点的纸带来测量加速度。保持小车受的拉力不变，通过增减小车中的重物改变小车的质量。处理纸带上打出的点来测量加速度。 探究新知——实验方案 2.方案二：通过位移之比测量加速度之比 将两辆相同的小车放在水平木板上，前端各系一条细线，线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘中可以放不同的重物。平衡摩擦后，用黑板擦把两条细线同时按压在木板上。抬起黑板擦，两小车同时开始运动，按下黑板擦，两小车同时停下来。用刻度尺测出两小车移动的位移x1、x2。由于两小车运动时间t相同，从它们的位移之比就可以得出加速度之比。在盘中重物相同的情况下，通过增减小车中的重物改变小车的质量。 探究新知——实验方案 03 PART 03 第三部分 进行实验与数据分析 探究新知 18 1.实验步骤： (1)用天平测出小车的质量为M0，并把数值记录下来。 (2)平衡摩擦力后，按图将实验器材安装好。 探究新知——用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (3)将槽码通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，用纸带记录小车的运动情况；取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂槽码的重力m0g。 (4)保持小车的质量不变，改变所挂槽码的重力，重复步骤(3)，多做几次实验，每次小车从同一位置释放，并记录好槽码的重力m1g、m2g、…以及计算出相应纸带的加速度填入表格1。 探究新知——用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 表格1(物体的质量一定，加速度与受力的关系) 实验次数 加速度a/(m·s-2) 小车受力F/N 1     2     3     4     …     探究新知——用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (5)保持槽码的质量不变，在小车上加放砝码，并测出小车与所放砝码的总质量M，接通电源，放开小车，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带并在纸带上标上号码。 (6)继续在小车上加放砝码，重复步骤(5)，多做几次实验，在每次得到的纸带上标上号码。 (7)计算出每次实验所得纸带的加速度值及小车与砝码的总质量填入表格2。 探究新知——用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 表格2(物体受到的外力一定，加速度与质量的关系) 实验次数 加速度 a/(m·s-2) 小车与砝码总质量 M/kg 小车与砝码总质量的倒数/kg-1 1 2 3 4 … 探究新知——用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 2.数据分析： (1)a－F图像 探究新知——用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 2.数据分析： (2)a－1/M图像 探究新知——用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 探究新知——用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (1)用天平测出小车和托盘的质量，并把数值记录下来。 (2)平衡摩擦力后，按图将实验器材安装好。 探究新知——通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (3)保持两小车的质量相同且不变，改变两个所挂托盘中砝码的数量，多做几次实验，记录好两个托盘和砝码的重力作为两小车的拉力F，以及用刻度尺测量出每次两个小车发生的位移x，填入表格3。 探究新知——通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 表格3(物体的质量一定，加速度与受力的关系) 次数 小车 拉力F/N F1/F2 位移x/m x1/x2 1 甲 乙 2 甲 乙 3 甲 乙 4 甲 乙 探究新知——通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 1.实验步骤： (4)保持两小车所挂两个托盘和其中砝码的质量相同且保持不变，改变两小车中砝码质量，多做几次实验，记录小车和所加砝码的质量M，以及用刻度尺测量出每次两个小车发生的位移x，填入表格4。 探究新知——通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 表格4(物体受到的外力一定，加速度与质量的关系) 次数 小车 质量M/kg M1/M2 位移x/m x1/x2 1 甲 乙 2 甲 乙 3 甲 乙 4 甲 乙 探究新知——通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 2.数据分析： (1)x1/x2-F1/F2图像 探究新知——通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 2.数据分析： (2)x1/x2-M2/M1图像 探究新知——通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 探究新知——通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 04 PART 04 第四部分 实验结论与误差分析 探究新知 35 1.保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受合外力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。 （注意：这里的力指的是物体所受的合外力） 探究新知——实验结论 1.在实验中，我们认为槽码的重力就等于小车所受的合力。但这是有误差的，只有在小车质量比较大，槽码质量比较小且长木板合理倾斜的情况下，实验结果才比较理想。 2.质量测量、长度测量中也存在偶然误差，可通过多次测量取平均值的方法来减小误差。 3.阻力补偿不准而造成误差。 4.描点作图时存在误差。 探究新知——误差分析 探究加速度与力、质量的关系 方法 实验思路 关系 实验方案 数据分析 a与F成正比、a与M成反比 控制变量法 分别探究a与F的关系、a与M的关系 方案1 方案2 用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系 通过位移之比法探究加速度与力、质量的关系 课堂小结 1．用图示装置做“探究物体的加速度与力、质量的关系”的实验，下列操作中正确的是（　　） A．若用砝码和盘的总重力代替小车拉力，则需小车质量远大于砝码和盘的总质量 B．平衡摩擦力时将砝码盘通过细线挂在小车上 C．实验中，释放小车与接通打点计时器需同时进行 D．实验中改变小车的质量后，需要重新平衡摩擦力 课堂练习 A 课堂练习 【答案】A 【详解】A．当小车质量远大于砝码和盘的总质量时，可以用砝码和盘的总重力代替小车拉力，故A正确； B．平衡摩擦力时不能将砝码盘通过细线挂在小车上，故B错误； C．实验中，应先接通打点计时器，后释放小车，故C错误； D．实验中改变小车的质量后，不需要重新平衡摩擦力，故D错误。 故选A。 2．在“探究物体的加速度与物体所受外力、物体质量间的关系”的实验中，采用如图所示的实验装置。小车及车中砝码的质量用M表示，盘及盘中砝码的质量用m表示（　　）  A．补偿阻力时，应将盘用细绳通过定滑轮系在小车上，且每次改变小车的质量时，都要重新平衡摩擦力 B．甲图上端弯曲的原因是盘及盘中砝码的质量m太大，已经不满足 C．乙图不过原点的原因是补偿阻力过度 D．实验时，若拉力可以用力学传感器直接测量，则也需满足条件 课堂练习 B 课堂练习 【答案】B 【详解】A．平衡摩擦力时，应将绳从小车上拿去，轻轻推动小车，使小车沿木板运动，通过打点计时器打出来的纸带判断小车是否匀速运动；每次改变小车的质量时，小车的重力沿斜面分力和摩擦力仍能抵消，不需要重新平衡摩擦力，故A错误； B．只有当m≪M时，小车所受的拉力才可以认为等于盘和砝码的总重力。图甲中a－F图像发生弯曲，这是由于没有保证小车及车中砝码的总质量远大于盘及盘中砝码的总质量造成的，故B正确； C．图乙中直线没过原点，当F≠0时，a=0，也就是说当绳子上有拉力时小车的加速度还为0，说明该组同学实验操作中没有平衡摩擦力或平衡摩擦力时木板倾角过小，故C错误； D．实验时，若拉力可以用力学传感器直接测量，则不需满足条件，故D错误。 故选B。 3．在探究“物体质量一定时，加速度与力的关系”的实验中，某同学作了如图所示的实验改进，添加了用力传感器来测细线中的拉力。关于实验改进后，下列说法正确的是（　　） A．力传感器测得的是砂和砂桶的总重力 B．小车受到的合力等于力传感器测得的大小 C．砂和砂桶的总质量不需远小于小车质量 D．本实验不需要进行阻力补偿 课堂练习 C 课堂练习 【答案】C 【详解】AC．力传感器可以精确测得绳子对小车的拉力，故不需要满足砂和砂桶的总质量远小于小车质量，由于砂和砂桶做加速运动，则力传感器测得的并不是砂和砂桶的总重力，故A错误，C正确； B．小车受到的合力等于力传感器测得的大小的两倍，故B错误； D．本实验为了保证小车受到的合力等于力传感器测得的大小的两倍，仍需要进行阻力补偿，故D错误。 故选C。 4．图甲是用来探究加速度和合力之间关系的实验装置示意图，图乙是其俯视图。两个相同的小车，并排放在水平光滑板上，前端各系一条细绳，细绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘，盘里放有砝码打开夹子，小盘和砝码牵引小车运动，合上夹子，两小车同时停止运动。下列说法正确的是（　　） A．实验中应使小车质量不同、砝码质量相同 B．实验中必须用到的测量仪器是秒表、刻度尺、天平 C．若将水平光滑板换为水平粗糙板、不会影响实验探究的结果 D．若小盘和砝码的总质量远小于小车质量，则小盘和砝码的重力近似等于绳的拉力 课堂练习 D 课堂练习 【答案】D 【详解】A．实验中要探究加速度和合力之间的关系，所以要控制小车质量不变，变化合力，探究加速度随合力的变化情况，故A错误； B．实验中需要使用刻度尺测量小车的位移，从而确定加速度之比；合外力之比可以通过砝码和小盘的质量比确定，所以需要测量砝码和小盘的质量；实验中不需要测量时间，故B错误； C．若将水平光滑板换为水平粗糙板，则小车所受合力之比不再等于砝码和小盘的总质量之比，所以会影响实验探究的结果，故C错误； D．设绳子的拉力为，系统的加速度为，砝码和小盘的质量之和为，小车的质量为，则有两式分别乘以、后右侧相等，解得当时，，故D正确。故选D。 5．一同学利用如图甲所示的实验装置探究质量一定时加速度a与力F的关系。另一同学在图甲实验装置中的小车上固定一个力传感器（如图乙）来完成实验。下列关于实验操作的说法中正确的是（　　） A．图甲实验中，小车由静止开始运动后所受拉力大小等于所挂槽码的重力 B．图乙实验中，木板水平时，力传感器上的读数等于小车所受合力的大小 C．图乙实验中，所挂槽码的质量应远小于小车的质量 D．图甲、图乙两个实验中，为得到质量一定时a与F成正比，都需要补偿阻力 课堂练习 D 课堂练习 【答案】D 【详解】A．图甲实验中，由于槽码向下做加速运动，绳的拉力大小小于槽码的重力，所以小车由静止开始运动后所受拉力大小小于所挂槽码的重力，A错误； B．图乙实验中，木板水平时，力传感器上的读数等于绳的拉力解得所以拉力大于小车所受合力的大小，B错误； C．图乙实验中，传感器可以直接测出绳的拉力，不需要用槽码的重力替代绳的拉力，所以不需要满足所挂槽码的质量应远小于小车的质量，C错误； D．图甲、图乙两个实验中，为得到质量一定时a与F成正比，都需要补偿阻力，D正确。 故选D。 布置作业 1.认真阅读课本本节内容，并完成课后“练习与应用”； 2.完成分层作业。 谢谢聆听 谢谢聆听 Sheet1 编号 次数 加速度 拉力 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 Sheet1 拉力F 加速度a a-F图像 Sheet1 编号 次数 加速度 质量倒数 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 Sheet1 质量倒数1/M 加速度a a-1/M图像 Lavf58.12.100 Sheet1 编号 次数 x1/x2 F1/F2 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 Sheet1 拉力之比 位移之比 x1/x2-F1/F2图像 Sheet1 编号 次数 x1/x2 M2/M1 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 Sheet1 质量之比 位移之比 x1/x2-M2/M1图像 Lavf58.12.100 $$