4.2实验：探究加速度与力、质量的关系 导学案-2026-2027学年高一上学期物理人教版必修第一册

该高中物理导学案聚焦“探究加速度与力、质量的关系”实验，引导学生掌握控制变量法、图像法处理数据等核心内容。课前通过基础填空与思考铺垫实验原理，课堂以小组讨论、实验操作、数据处理等活动构建学习支架，衔接实验方法与误差分析等知识点。 以科学探究为主线，通过问题链引导学生理解平衡摩擦力、拉力近似条件等操作要点，培养科学思维中的“化曲为直”思想，结合误差分析渗透科学态度。结构涵盖预习、探究、检测，助力学生自主学习，体现物理观念与科学探究素养，便于教师教学评估。

4.2实验：探究加速度与力、质量的关系（导学案）解析版 姓名：_______________班级：高一（ ）班 一、学习目标 1.理解控制变量法的实验研究思想，掌握实验的基本原理与操作流程。 2.能正确使用打点计时器测量加速度，规范完成实验操作与数据记录。 3.掌握图像法处理实验数据的方法，理解“化曲为直”的物理思想，能归纳加速度与力、质量的定量关系。 4.能分析实验的主要误差来源，了解减小实验误差的基本方法。 二、课前预习 （一）基础填空 1.探究加速度与力、质量的定量关系，采用的核心实验方法是__控制变量法_；实验分两步进行：第一步保持__小车质量_不变，探究加速度与力的关系；第二步保持_拉力（合力）_不变，探究加速度与质量的关系。 2.实验中，我们用__槽码_的总重力近似代替小车受到的拉力；该近似成立的前提条件是槽码的总质量__远小于_小车的总质量。 3.实验前需要平衡摩擦力：将长木板不带定滑轮的一端适当垫高，利用小车重力沿斜面向下的分力平衡_小车受到的摩擦阻力_；平衡成功后，小车受到的合力就等于__绳子的拉力__。 4.处理加速度与质量的关系时，为了直观判断二者的反比关系，通常绘制_a-_图像，将曲线关系转化为线性关系，这种数据处理思想叫做__化曲为直__。 （二）简单思考 1.实验中如果不平衡摩擦力，会对实验结果造成什么影响？ 答：如果不平衡摩擦力，绳子拉力需要先克服摩擦力，小车的实际合力小于拉力，会导致测得的加速度偏小，a-F图像不过原点，出现截距。 2.为什么槽码的总质量要远小于小车质量？ 答：槽码与小车一起加速运动，对槽码而言，重力大于绳子拉力；只有当槽码质量远小于小车质量时，绳子拉力才近似等于槽码的总重力，减小系统误差。 三、课堂探究 探究一：实验方案设计——控制变量法的应用 活动1：提出问题与猜想假设 结合生活现象，小组讨论： 1.用不同大小的力推同一辆小车，力越大，小车加速越快，说明加速度与_受力大小_有关；用同样的力推空车和满载的车，空车加速更快，说明加速度与_物体质量__有关。 2.大胆猜想：质量一定时，加速度与力成_正比_关系；力一定时，加速度与质量成_反比_关系。 活动2：确定实验研究方法 思考：加速度同时受两个因素影响，如何分别探究每个因素对加速度的影响？ 答：采用控制变量法，每次只改变一个自变量，控制另一个自变量不变，分别研究加速度与单个变量的关系。 活动3：测量方案讨论 小组讨论三个物理量的测量方法，完成填空： 1.质量：用_天平_测量小车质量和槽码质量，通过增减砝码改变小车质量，增减槽码改变拉力。 2.合力（拉力）：平衡摩擦力后，用__槽码的总重力_近似作为小车受到的合力。 3.加速度：利用_打点计时器_打出纸带，通过__逐差_法计算加速度，提高测量精度。 探究二：实验原理与操作要点深度探究 活动1：平衡摩擦力的探究 小组讨论，回答问题： 1.为什么必须平衡摩擦力？ 答：小车运动时受到木板的摩擦力，若不消除，绳子拉力不等于小车的合力，无法单独研究拉力与加速度的关系。 2.平衡摩擦力的操作方法是什么？ 答：将长木板不带定滑轮的一端适当垫高，轻推小车，观察小车是否做匀速直线运动。 3.如何判断摩擦力已经平衡成功？ 答：小车拖动纸带运动时，打出的纸带点迹均匀分布，说明小车速度不变，做匀速直线运动，摩擦力平衡成功。 4.改变小车质量后，需要重新平衡摩擦力吗？为什么？ 答：不需要。因为小车重力的分力和摩擦力都与质量成正比，质量改变后二者仍能平衡，无需重复操作。 活动2：拉力近似条件的理解 结合实验原理，思考讨论： 1.槽码拉着小车加速下落时，绳子的拉力等于槽码的重力吗？偏大还是偏小？ 答：不等于；拉力小于槽码的重力。因为槽码向下加速，重力除了拉小车，还要给自身提供加速度。 2.实验中我们用槽码重力代替拉力，需要满足什么条件才能让这个近似更准确？ 答：需要满足槽码的总质量远小于小车的总质量。此时槽码自身加速需要的力很小，拉力就非常接近槽码的总重力。 3.如果槽码质量太大，不满足远小于的条件，测得的加速度会比真实值偏大还是偏小？ 答：偏小；因为实际拉力比重力小，用重力当作拉力计算，相当于合力的测量值偏大，而加速度真实值更小。 活动3：实验操作步骤梳理 小组合作，梳理完整的实验操作步骤，按顺序排列： ①用天平测量小车质量M和槽码总质量m，记录数据 ②安装实验装置，连接打点计时器与电源 ③平衡摩擦力，直到小车匀速运动 ④保持小车质量不变，改变槽码数量，多次实验，打出对应纸带 ⑤保持槽码质量不变，在小车上增减砝码，多次实验，打出对应纸带 ⑥整理器材，处理纸带数据，计算加速度 ⑦绘制图像，分析归纳实验结论 探究三：实验记录与数据采集 分组完成实验，将测量与计算数据填入下表： 表1保持小车质量不变，探究加速度与力的关系 实验次数 槽码总质量 m/kg 拉力 F/N（F=mg，g取9.8m/） 加速度a/(m·) 1 0.005 0.049 0.095 2 0.010 0.098 0.192 3 0.015 0.147 0.288 4 0.020 0.196 0.382 小车总质量(M=0.5kg) 表2保持拉力不变，探究加速度与质量的关系 槽码总质量(m=0.010kg)，拉力(F≈0.098N) 实验次数 小车总质量 M/kg / 加速度a/(m·) 1 0.25 4.00 0.380 2 0.50 2.00 0.192 3 0.75 1.33 0.128 4 1.00 0.096 0.096 注：实验中需选取点迹清晰的纸带，用逐差法计算加速度。 探究四：数据处理与规律总结 活动1：绘制a-F图像，分析规律 1.以加速度a为纵轴，拉力F为横轴，根据表1数据在坐标纸上描点，拟合直线。 2.观察图像特点：质量一定时，a-F图像是一条__过原点的倾斜直线_，说明_质量一定时，物体的加速度与所受的合力成正比_。 活动2：绘制a-图像，理解化曲为直思想 1.思考：如果作a-M图像，图像会是什么形状？为什么不直接作a-M图像？ 答：a-M图像是双曲线，属于曲线，无法直观判断定量关系，不容易确定反比规律。 2.以加速度a为纵轴，为横轴，根据表2数据描点拟合直线。 3.观察图像特点：力一定时，a-图像是一条_过原点的倾斜直线_，说明_合力一定时，物体的加速度与质量成反比_。 活动3：实验结论总结 小组讨论，归纳实验结论： 1.当物体的质量一定时，__物体的加速度与所受的合力成正比_； 2.当物体所受的合力一定时，_物体的加速度与物体的质量成反比_。 活动4：实验误差分析 小组讨论，分析实验中的误差来源与减小方法： 1.系统误差： ①槽码质量没有远小于小车质量，导致拉力测量值_大于_真实值（填“大于”“小于”）； ②摩擦力平衡不足或过度，会导致图像不过原点。 减小方法：控制槽码总质量远小于小车质量，反复调整木板倾角，精准平衡摩擦力。 2.偶然误差： 纸带测量误差、打点阻力、空气阻力等。 减小方法：多次测量取平均值，选用点迹清晰的纸带，用逐差法计算加速度。 四、当堂检测 1.某实验小组用如图甲所示的实验装置探究外力一定时加速度与质量的关系。 (1)下列操作正确的是__AD__。 A．电火花打点计时器应接220V交流电源 B．补偿阻力时小车需不连接纸带 C．补偿阻力时需要用细绳连接槽码 D．先接通打点计时器的电源后释放小车 (2)小车和配重砝码的总质量应__远大于_槽码质量（选填“远大于”、“远小于”），其目的是_使绳上拉力近似等于槽码重力_。 (3)为补偿打点计时器对小车的阻力及其他阻力，在正确的操作下，打出纸带进行检验，下列纸带能说明补偿阻力恰当的是__C_。 (4)实验中打出的一条纸带如图乙所示，相邻的两个计数点之间有四个点未画出。已知打点计时器的打点周期为0.02s，则小车的加速度__0.52_（结果保留2位有效数字）。 (5)若垫块过高，则最可能得到的图像是__C__。 五、课堂小结 请自主梳理本节课的核心知识点，构建知识框架： 1.一种核心实验方法：_控制变量法_ 2.两个探究关系： 质量一定时：_加速度与合力成正比_ 合力一定时：__加速度与质量成反比__ 3.两个关键操作：平衡摩擦力、满足槽码质量远小于小车质量 4.一种数据处理思想：_化曲为直（将a-M曲线关系转化为a-线性关系的图像法）_ 学科网（北京）股份有限公司 $ 4.2实验：探究加速度与力、质量的关系（导学案）原卷版 姓名：_______________班级：高一（ ）班 一、学习目标 1.理解控制变量法的实验研究思想，掌握实验的基本原理与操作流程。 2.能正确使用打点计时器测量加速度，规范完成实验操作与数据记录。 3.掌握图像法处理实验数据的方法，理解“化曲为直”的物理思想，能归纳加速度与力、质量的定量关系。 4.能分析实验的主要误差来源，了解减小实验误差的基本方法。 二、课前预习 （一）基础填空 1.探究加速度与力、质量的定量关系，采用的核心实验方法是____________；实验分两步进行：第一步保持__________不变，探究加速度与力的关系；第二步保持__________不变，探究加速度与质量的关系。 2.实验中，我们用__________的总重力近似代替小车受到的拉力；该近似成立的前提条件是槽码的总质量__________小车的总质量。 3.实验前需要平衡摩擦力：将长木板不带定滑轮的一端适当垫高，利用小车重力沿斜面向下的分力平衡___________________；平衡成功后，小车受到的合力就等于__________。 4.处理加速度与质量的关系时，为了直观判断二者的反比关系，通常绘制__________图像，将曲线关系转化为线性关系，这种数据处理思想叫做__________。 （二）简单思考 1.实验中如果不平衡摩擦力，会对实验结果造成什么影响？ 2.为什么槽码的总质量要远小于小车质量？ 三、课堂探究 探究一：实验方案设计——控制变量法的应用 活动1：提出问题与猜想假设 结合生活现象，小组讨论： 1.用不同大小的力推同一辆小车，力越大，小车加速越快，说明加速度与___________有关；用同样的力推空车和满载的车，空车加速更快，说明加速度与__________有关。 2.大胆猜想：质量一定时，加速度与力成__________关系；力一定时，加速度与质量成__________关系。 活动2：确定实验研究方法 思考：加速度同时受两个因素影响，如何分别探究每个因素对加速度的影响？ 活动3：测量方案讨论 小组讨论三个物理量的测量方法，完成填空： 1.质量：用__________测量小车质量和槽码质量，通过增减砝码改变小车质量，增减槽码改变拉力。 2.合力（拉力）：平衡摩擦力后，用__________________近似作为小车受到的合力。 3.加速度：利用__________打出纸带，通过__________法计算加速度，提高测量精度。 探究二：实验原理与操作要点深度探究 活动1：平衡摩擦力的探究 小组讨论，回答问题： 1.为什么必须平衡摩擦力？ 2.平衡摩擦力的操作方法是什么？ 3.如何判断摩擦力已经平衡成功？ 4.改变小车质量后，需要重新平衡摩擦力吗？为什么？ 活动2：拉力近似条件的理解 结合实验原理，思考讨论： 1.槽码拉着小车加速下落时，绳子的拉力等于槽码的重力吗？偏大还是偏小？ 2.实验中我们用槽码重力代替拉力，需要满足什么条件才能让这个近似更准确？ 3.如果槽码质量太大，不满足远小于的条件，测得的加速度会比真实值偏大还是偏小？ 活动3：实验操作步骤梳理 小组合作，梳理完整的实验操作步骤，按顺序排列： ①用天平测量小车质量M和槽码总质量m，记录数据 ②安装实验装置，连接打点计时器与电源 ③平衡摩擦力，直到小车匀速运动 ④保持小车质量不变，改变槽码数量，多次实验，打出对应纸带 ⑤保持槽码质量不变，在小车上增减砝码，多次实验，打出对应纸带 ⑥整理器材，处理纸带数据，计算加速度 ⑦绘制图像，分析归纳实验结论 探究三：实验记录与数据采集 分组完成实验，将测量与计算数据填入下表： 表1保持小车质量不变，探究加速度与力的关系 实验次数 槽码总质量 m/kg 拉力 F/N（F=mg，g取9.8m/） 加速度a/(m·) 1 2 3 4 小车总质量(M=__________kg) 表2保持拉力不变，探究加速度与质量的关系 槽码总质量(m=_________kg)，拉力(F≈_________N) 实验次数 小车总质量 M/kg / 加速度a/(m·) 1 2 3 4 注：实验中需选取点迹清晰的纸带，用逐差法计算加速度。 探究四：数据处理与规律总结 活动1：绘制a-F图像，分析规律 1.以加速度a为纵轴，拉力F为横轴，根据表1数据在坐标纸上描点，拟合直线。 2.观察图像特点：质量一定时，a-F图像是一条____________________，说明______________________________________________________。 活动2：绘制a-图像，理解化曲为直思想 1.思考：如果作a-M图像，图像会是什么形状？为什么不直接作a-M图像？ 2.以加速度a为纵轴，为横轴，根据表2数据描点拟合直线。 3.观察图像特点：力一定时，a-图像是一条______________________，说明______________________________________________________。 活动3：实验结论总结 小组讨论，归纳实验结论： 1.当物体的质量一定时，____________________________________________； 2.当物体所受的合力一定时，____________________________________。 活动4：实验误差分析 小组讨论，分析实验中的误差来源与减小方法： 1.系统误差： ①槽码质量没有远小于小车质量，导致拉力测量值_________真实值（填“大于”“小于”）； ②摩擦力平衡不足或过度，会导致图像不过原点。 减小方法：______________________________________________________。 2.偶然误差： 纸带测量误差、打点阻力、空气阻力等。 减小方法：______________________________________________________。 四、当堂检测 1.某实验小组用如图甲所示的实验装置探究外力一定时加速度与质量的关系。 (1)下列操作正确的是_________。 A．电火花打点计时器应接220V交流电源 B．补偿阻力时小车需不连接纸带 C．补偿阻力时需要用细绳连接槽码 D．先接通打点计时器的电源后释放小车 (2)小车和配重砝码的总质量应_________槽码质量（选填“远大于”、“远小于”），其目的是____________________________________。 (3)为补偿打点计时器对小车的阻力及其他阻力，在正确的操作下，打出纸带进行检验，下列纸带能说明补偿阻力恰当的是_________。 (4)实验中打出的一条纸带如图乙所示，相邻的两个计数点之间有四个点未画出。已知打点计时器的打点周期为0.02s，则小车的加速度_________（结果保留2位有效数字）。 (5)若垫块过高，则最可能得到的图像是_________。 五、课堂小结 请自主梳理本节课的核心知识点，构建知识框架： 1.一种核心实验方法：__________________ 2.两个探究关系： 质量一定时：____________________________ 合力一定时：_____________________________ 3.两个关键操作：_________、____________________________________ 4.一种数据处理思想：_____________________________________________ 学科网（北京）股份有限公司 $