3.7实验四：探究加速度与物体受力、物体质量的关系 教学设计 -2026届高考物理一轮复习

课题 一轮复习：3.7实验四：探究加速度与物体受力、物体质量的关系 教 学 目 标 物理观念 1.理解牛顿第二定律的基本内容，掌握加速度与合外力、质量之间的定量关系，能从实验角度理解“a∝F”和“a∝1/m”的物理意义；通过实验复习，深化对惯性质量、合外力、加速度等核心物理概念的理解。 2.能够结合实验装置分析小车在水平方向上的受力情况，明确实验中“用槽码重力代替拉力”的近似条件及其物理依据，理解实验中“平衡摩擦力”的本质是使合外力等于细绳拉力。 3.通过实验数据的图像处理，建立加速度与力、加速度与质量倒数之间的线性关系模型，理解图像法在物理规律探究中的重要作用，形成“实验—数据—规律”的物理思维路径。 科学思维 1.掌握控制变量法在多变量物理关系探究中的应用，能在实验设计中准确区分自变量、因变量与控制变量，理解“保持质量不变研究a-F关系”和“保持力不变研究a-m关系”的科学逻辑。 2.能够运用图像分析法处理实验数据，识别a-F图像是否过原点、a-1/m图像是否为直线，并能根据图像特征反推实验操作中的问题（如平衡摩擦力不足、未满足m≪M等），提升数据解读与逻辑推理能力。 3.能对实验误差来源进行系统分析，区分系统误差（如拉力近似代替）与偶然误差（如测量误差），并能提出改进实验方案的合理建议，发展批判性思维和创新思维能力。 科学探究 1.能够通过观看实验视频，准确描述实验装置的组成、实验步骤的流程以及关键操作要点（如平衡摩擦力、先通电后释放等），具备复现实验过程的能力。 2.能够根据纸带数据，运用逐差法或v-t图像法计算加速度，并能独立完成a-F、a-1/m图像的绘制与分析，具备基本的数据处理与图像建模能力。 3.能够结合例题与拓展实验（如使用拉力传感器、创新方案等），分析不同实验设计的原理差异，理解实验创新背后的物理思想，提升实验设计与评价能力。 科学态度与责任 1.在实验观察与数据分析中培养实事求是的科学态度，尊重实验数据，不随意篡改或忽略异常点，养成严谨细致的实验习惯。 2.通过小组讨论与问题探究，增强合作意识与交流能力，乐于分享自己的分析思路与结论，勇于质疑与反思。 3.认识到物理实验在科学发现中的基础作用，理解实验条件控制的重要性，增强对物理学科的兴趣与责任感，树立通过实验探究自然规律的信念。 教学重点 1.掌握实验的基本原理：理解控制变量法的应用，明确“保持质量不变探究a与F的关系”和“保持合外力不变探究a与m的关系”的实验设计逻辑。 2.熟练掌握实验数据处理方法：能够利用纸带数据通过逐差法或v-t图像法计算加速度，能够正确绘制并分析a-F图像和a-1/m图像，判断其线性关系及是否过原点。 教学难点 1.理解“用槽码重力代替小车所受拉力”的近似条件（m≪M）及其带来的系统误差，能分析当该条件不满足时a-F图像发生弯曲的原因。 2.能结合图像特征（如a-F图像不过原点、BC段弯曲）反推实验操作中存在的问题（如平衡摩擦力不足或过度、未满足质量远小于条件等），具备较强的误差分析与问题诊断能力。 教学方法 情境探究法、讲授法、合作学习法、问题驱动法 教具 多媒体课件、实验操作视频、打点计时器纸带示例、坐标纸、激光笔、白板 教学过程 教学环节 教师活动 学生活动 一、情境导入，回顾实验原理 一、创设情境，引出实验主题 （1）问题导入，激发思考： 教师提问：“同学们，我们在学习牛顿第二定律时，知道加速度a与合外力F成正比，与质量m成反比，即a=F/m。那么，这个关系是如何被科学家验证的呢？我们能否通过实验来重现这一发现过程？” 引导学生回忆高一阶段所做的“探究加速度与力、质量的关系”实验，唤起已有经验。接着展示教材中的实验装置图（小车、打点计时器、槽码、长木板等），提问：“这个装置中，小车的合外力是由什么提供的？我们是如何测量加速度的？” 学生可能回答“由槽码的重力提供拉力”“通过纸带上的点计算加速度”。教师顺势追问：“槽码的重力真的等于小车受到的拉力吗？如果木板有摩擦，会怎样？”引发学生对实验细节的深入思考。 （2）明确实验目的与原理： 教师系统梳理实验目的：①学会用控制变量法研究物理量关系；②探究a与F、m的具体关系；③掌握图像法处理数据。 重点讲解实验原理：必须采用控制变量法——先保持小车质量m不变，改变槽码质量（即改变拉力F），研究a与F的关系；再保持槽码质量不变（即F基本不变），改变小车质量m，研究a与1/m的关系。 强调图像处理的核心作用：若a-F图像是过原点的直线，则a∝F；若a-1/m图像是过原点的直线，则a∝1/m，从而验证牛顿第二定律。 同时指出实验中的关键矛盾：理论上小车合外力应为绳的拉力T，但实验中常用槽码重力m'g代替T，这只有在m'≪m时才近似成立，否则会引入系统误差。 （3）回顾实验器材与基本流程： 教师通过PPT列出实验器材：小车、槽码、细绳、带滑轮的长木板、打点计时器、学生电源、纸带、天平、刻度尺等。 简要回顾实验步骤：①测量质量；②安装装置；③平衡摩擦力；④进行实验，更换槽码或小车质量，打出多条纸带；⑤数据处理，作图分析。 特别强调“平衡摩擦力”的操作要点：不挂钩码，垫高木板一端，轻推小车，使小车能拖动纸带做匀速运动，此时重力分力抵消摩擦力，小车所受合外力即为绳的拉力。 1.回忆高一实验内容，思考教师提出的问题，尝试回答小车受力来源和加速度测量方法。 2.在教师引导下，理解控制变量法的必要性，明确实验的两个研究方向。 3.认识到“用重力代替拉力”存在近似条件，初步感知系统误差的存在。 4.跟随教师回顾实验器材和基本流程，重点理解“平衡摩擦力”的目的与操作方法。 二、视频演示，替代分组实验 二、播放实验视频，观察操作细节 （1）播放规范实验操作视频： 教师播放一段高清录制的“探究加速度与力、质量的关系”标准实验操作视频，视频内容包括：实验装置全景、天平称量小车与槽码质量、安装打点计时器与纸带、调节木板倾角进行平衡摩擦力（展示小车匀速下滑）、连接细绳与槽码、进行多次实验（改变槽码个数）、更换不同质量的小车重复实验等完整流程。 播放过程中，教师适时暂停，进行讲解：“现在看到的是平衡摩擦力环节，注意观察小车是否匀速运动”“接下来是第一次实验，槽码质量较小，注意打点计时器启动顺序：先通电，再释放小车”“这里更换了三个槽码，拉力增大，我们期待看到加速度变大”“现在更换了质量更大的小车，用于研究a与m的关系”。 （2）聚焦关键操作与注意事项： 视频播放结束后，教师总结并强调实验中的“一先一后一按”：每次实验前，小车应靠近打点计时器；必须先接通电源，待打点稳定后再释放小车；在小车即将撞到滑轮前要及时按住，防止损坏器材。 再次强调：平衡摩擦力只需一次，之后实验过程中不再调整；实验中必须满足槽码总质量远小于小车质量，否则误差显著；纸带选择要选取点迹清晰、间距均匀增加的部分进行测量。 教师提问：“如果平衡摩擦力时木板垫得过高，会导致什么后果？如果垫得不够呢？”引导学生思考： ——垫得过高：小车重力分力大于摩擦力，即使不挂钩码，小车也会加速下滑，导致a-F图像不过原点且截距为正（F=0时a>0）； ——垫得不够：摩擦力未完全平衡，需要一定的拉力才能使小车启动，导致a-F图像不过原点且截距为负（F>0时a=0）。 这些分析为后续例题中的图像分析打下基础。 1.认真观看实验视频，注意观察实验装置的连接方式、操作顺序和关键动作。 2.在教师提示下，重点关注平衡摩擦力、先通电后释放、更换质量等环节。 3.理解“一先一后一按”的操作规范，认识到规范操作对实验成功的重要性。 4.思考平衡摩擦力过度或不足对实验结果的影响，为图像分析做准备。 三、典例剖析，强化数据分析 三、讲解典型例题，提升解题能力 （1）讲解例1，全面覆盖考点： 教师展示例1题目，逐小题讲解： 【例1】用如图甲所示的装置探究加速度与力、质量的关系。 (1)除了图中所给器材以及交流电源和导线外，在下列器材中，还必须使用的两种器材是　　　　(选填正确选项的字母)。 A.秒表　　B.天平(含砝码)　　C.弹簧测力计　　D.刻度尺 (2)实验前平衡摩擦力的做法是：把实验器材安装好，先不挂沙桶，将小车放在木板上，后面固定一条纸带，纸带穿过打点计时器。用垫块把木板不带滑轮一端垫高，接通打点计时器，让小车以一定初速度沿木板向下运动，并不断调节木板的倾斜度，直到小车拖动纸带沿木板做　　　　运动。 (3)为使沙桶和沙的总重力在数值上近似等于小车运动时受到的拉力，需满足的条件是沙桶及沙的总质量　　　　小车的总质量。(选填“远大于”“远小于”或“近似等于”)  (4)实验中打出的一条纸带的一部分如图乙所示。纸带上标出了连续的3个计数点A、B、C，相邻计数点之间还有4个点没有标出。打点计时器接在频率为50 Hz的交流电源上。则打点计时器打B点时，小车的速度vB＝　　 m/s。多测几个点的速度作出v－t图像，就可以算出小车的加速度。 (5)为探究加速度和力的关系，要保证　　　　的总质量不变，改变沙桶内沙的质量，重复做几次实验，通过实验数据来研究加速度和力的关系。 (6)在探究加速度与力的关系时，该同学根据实验数据作出的a－F图像如图丙所示，发现该图线不通过坐标原点且BC段明显偏离直线，分析其产生的原因，下列说法正确的是　　　　。  A.不通过坐标原点可能是因为平衡摩擦力不足 B.不通过坐标原点可能是因为平衡摩擦力过度 C.图线BC段弯曲可能是沙桶及沙的总质量未满足远小于小车总质量的条件 D.图线BC段弯曲可能是沙桶及沙的总质量未满足远大于小车总质量的条件 (7)在探究加速度与质量的关系时，要保证沙和沙桶的质量不变。若沙和沙桶的质量m与小车的总质量M间的关系不满足第(3)问中的条件，且已正确平衡摩擦力，由实验数据作出a－图线，则图线应如图中的　　　　所示(选填正确选项的字母)。  第（1）问：选择必需器材。教师引导：“打点计时器已提供，可计时；但质量需用天平测量，纸带上点间距离需用刻度尺测量，故选B、D。” 第（2）问：平衡摩擦力的标准。强调“匀速直线运动”是判断依据，确保合外力为零。 第（3）问：拉力近似条件。重申m'≪m，故填“远小于”。 第（4）问：计算瞬时速度。已知f=50Hz，每两个计数点间有4个未标出点，故T=0.1s。B点速度vB＝ m/s＝0.44 m/s教师板书计算过程，强调单位换算与公式应用。 第（5）问：控制变量。探究a与F关系时，必须保持小车质量不变。 第（6）问：图像分析。图像不过原点且F>0时a=0，说明有摩擦未平衡，故A正确；BC段弯曲，因F增大导致m'不再远小于m，拉力近似失效，故C正确。 第（7）问：理论图像推导。即使不满足m≪M，只要正确平衡摩擦力，由mg－T＝ma，T＝Ma，联立解得 mg＝(M＋m)a，整理得a＝，因为保证了沙和沙桶的质量不变，所以由实验数据作出a－图线，不会发生弯曲，故选C （2）讲解例2，拓展创新实验： 教师展示例2（测定动摩擦因数）： 【例2】如图甲所示，某实验小组利用验证牛顿第二定律的实验装置测定物块与木板之间的动摩擦因数，实验装置正确安装后，调节木板及物块右侧两段细绳水平。实验开始时在沙桶中放入适量的细沙，物块做加速运动，打出的纸带如图乙所示，已知所用交流电源的频率为50 Hz，重力加速度大小为g。 (1)本实验中，沙和沙桶的质量　　(选填“需要”或“不需要”)远小于物块的质量； (2)已读出弹簧测力计的示数为F，为进一步测量动摩擦因数，下列物理量中还需测量的有　　　　；  A.木板的长度L 　B.物块的质量m C.沙和沙桶的质量M 　D.物块的运动时间t (3)图乙中给出了实验中获取的纸带的一部分数据，0、1、2、3、4是计数点，每相邻两计数点间还有4个点(图中未标出)，计数点间的距离如图乙所示。则打下计数点2时物块对应的速度大小v＝　　 m/s；本次实验物块对应的加速度大小a＝　　　 m/s2(结果均保留两位有效数字)； (4)改变沙桶内细沙的质量，测量出对应的加速度a和弹簧测力计的示数F。若用图像法处理数据，得到了如图丙所示的一条倾斜的直线，如果该图线的横轴截距等于b，斜率为k。则动摩擦因数μ＝　　　　　　(用题目中给的b、k、g表示)。  第（1）问：本实验使用弹簧测力计直接测量绳的拉力，无需用重力代替，故“不需要”满足m≪M。 第（2）问：由2F－μmg＝ma，解得μ＝，需测m，故选B。 第（3）问：计算v₂和a。T=0.1s，v＝ m/s≈0.26 m/s； a＝ m/s2≈0.50 m/s2 第（4）问：图像斜率与截距。由2F－μmg＝ma，即a＝F－μg，由题意可知b－μg＝0，＝k，解得μ＝ （3）讲解例3，对比实验方案： 教师展示例3（创新方案）： 【例3】做“探究加速度与力、质量的关系”实验时，图甲是教材中的实验方案；图乙是拓展方案，其实验操作步骤如下： (ⅰ)挂上托盘和砝码，改变木板的倾角，使质量为M的小车拖着纸带沿木板匀速下滑； (ⅱ)取下托盘和砝码，测出其总质量为m，让小车沿木板下滑，测出加速度a； (ⅲ)改变砝码质量和木板倾角，多次测量，通过作图可得到a－F的关系。 (1)实验获得如图丙所示的纸带，计数点a、b、c、d、e、f间均有四个点未画出，打点计时器所接电源频率为50 Hz，则在打d点时小车的速度大小vd＝　　　　 m/s(保留两位有效数字)；  (2)需要满足条件M≫m的方案是　　　　(选填“甲”“乙”或“甲和乙”)；在作a－F图像时，把mg作为F值的是　　　　(选填“甲”“乙”或“甲和乙”)。  解析： (1)由题意知小车做匀加速直线运动，故vd＝，将sce＝(36.10－32.40) cm＝3.70 cm，T＝0.1 s，代入得vd≈0.19 m/s； (2)甲实验方案中，绳的拉力F满足： F＝Ma，且mg－F＝ma，则F＝，只有M≫m时，F才近似等于mg，故以托盘与砝码的重力表示小车的合外力，需满足M≫m。 乙实验方案中：小车沿木板匀速下滑，小车受绳的拉力及其他力的合力为零，且绳的拉力大小等于托盘与砝码的重力，取下托盘及砝码，小车所受的合外力大小等于托盘与砝码的重力mg，不需要满足M≫m。两个实验方案都可把mg作为F值。 教师总结：创新实验通过改变平衡方式，避免了质量条件限制，提高了实验精度，体现了实验设计的灵活性。 1.跟随教师思路，逐题思考例1各小问，理解每一步的物理依据。 2.掌握纸带数据处理方法，能独立计算瞬时速度和加速度。 3.理解a-F图像不过原点和弯曲的原因，能进行误差分析。 4.了解创新实验的设计思路，认识不同方案的优缺点。 四、归纳总结，构建知识网络 四、课堂总结与知识梳理 （1）系统回顾实验要点： 教师引导学生共同总结本节课核心内容： 实验目的：用控制变量法探究a与F、m的关系，掌握图像法处理数据。 实验原理：a∝F（m不变），a∝1/m（F不变）；平衡摩擦力使合外力=F拉；用m'g代替F拉需m'≪m。 实验步骤：测质量→装装置→平衡摩擦→操作实验（先通电后释放）→换质量重复→数据处理。 数据处理：逐差法求a，作a-F、a-1/m图，判断线性与过原点。 误差分析：系统误差（拉力代替、摩擦未平衡）、偶然误差（测量、操作）。 （2）强调高考常见题型： 教师指出该实验是高考实验题高频考点，常见考查形式包括： ①器材选择与实验步骤填空； ②纸带数据处理与加速度计算； ③a-F或a-1/m图像分析（是否过原点、是否弯曲）； ④创新实验原理理解与公式推导。 提醒学生在复习中要注重细节理解，强化图像分析能力，灵活应对各种变式题。 1.参与课堂总结，梳理实验知识框架，形成系统认知。 2.明确高考考查重点，认识到本实验的重要性。 3.记录课后作业，准备课后巩固复习。 板书设计 教学反思 1.本节课通过播放实验视频替代分组实验，有效解决了高三复习课时紧张、实验器材不足的问题，学生通过高清视频仍能清晰观察操作细节，达到了预期教学效果。但在互动性上有所欠缺，未来可考虑插入“暂停提问”环节，增强学生参与感。 2.典例讲解环节内容充实，覆盖了高考常见考点，特别是对a-F图像的深度分析帮助学生理清了误差来源。但部分学生在创新实验的公式推导上仍显吃力，反映出抽象思维能力有待提升，今后应加强牛顿定律的综合应用训练。 3.教学节奏总体把控较好，但例题讲解时间略长，导致最后总结环节稍显仓促。下次可适当精简例题数量，或提前布置预习任务，提高课堂效率。此外，应增加学生动手绘制图像的练习，强化实践能力。 学科网（北京）股份有限公司 $$