实验探究加速度与力质量的关系

实验：探究加速度与力、质量的关系设计人：学校学益学区姓名马红梅

课题：第四章第二节探究加速度与力、质量的关系第 1 课时

一、任务分析

1、本节内容在教材中的地位

牛顿第二定律是动力学的核心规律，是本章重点和中心内容，而探究加速度与力和质量的关系是学习下一节的重要铺垫。本节是探索规律的实验，重点就是让学生亲身体验探究过程。在教师的引导下学生动手、动脑进行设计研究，体会通过控制变量来研究物理规律的重要方法，在研究电阻、电容等实验中都会用到此法，只有让学生在实际的设计和操作中才能使学生体会到物理学研究的方法，达到掌握方法、提高能力的目的。

2、学习本节所需要的基础知识

力、加速度的概念，控制变量法

3、学校、学生情况分析

从前几章知识可知，物体的速度是描述物体运动状态的物理量，物体的运动状态变化，是以速度这一物理量的变化表现出来的，而我们已经学习过的加速度又是描述物体速度变化快慢的物理量，所以第一个课题的确定就应是研究加速度与力的关系。而在相同力的作用下，由于物体的惯性不同，速度变化的快慢也不同，质量是物体惯性大小的量度，所以第二个课题的确定是研究加速度与质量的关系。

4、完成教学目标的策略和方法

本节课先通过多媒体展示的画面或通过复习前面的旧知识提出问题，然后通过实例大胆猜测（或作出假设），再通过实验搜集实验数据，利用图象通过对数据分析，得出结论来验证假设，最后反复验证得出定律.让学生深刻体会了探究实验的模式，培养了学生实事求是的科学态度，乐于探究自然界的奥秘，深刻体验科学家探索自然规律的艰辛与喜悦.同时本节实验中的控制变量法是物理学研究问题的重要方法，本节课也让学生亲自设计实验方案、亲自动手操作，培养了学生的实验能力、动手能力。

二、教学目标

知识与技能

1、理解物体运动状态的变化的快慢，即加速度大小与力有关，也与质量有关。

2、通过实验探究加速度与力的定量关系。

过程与方法

1、指导学生定量的探究加速度和力、物体质量的关系。知道用控制变量法进行实验。

2、学生自己设计实验，自己根据自己的实验设计进行实验。

3、对实验数据进行处理，看能得出什么结论。

情感、态度与价值观

1、通过实验探究，培养学生实事求是、尊重客观规律的科学态度。

2、通过实验探究激发学生的求知欲和创新精神。

3、培养学生的团队合作精神。

三、重点难点

重点：

1、控制变量法的使用。

2、如何提出实验方案并使实验方案合理可行。

3、实验数据的分析与处理。

难点：

1、如何提出实验方案并使实验方案合理可行。

2、实验数据的分析与处理。

四、教学资源

1、实验器材（包括DIS）、学具：

小车，一端带定滑轮的长木板，带小盘的细线，砝码（规格：10g、20g、30g、40g，用作牵引小车的力），钩码（50g）4个（用来改变小车的质量），打点计时器，纸带，气垫导轨1套，刻度尺，秒表，计算机等。

2、课件：

多媒体课件

五、设计思路

1、本设计的依据和理由：

加速度既与力有关，又与质量有关，怎样通过实验研究它们间的关系呢？当一个物理量与多个因素有关时，为了弄清它们之间的关系，物理学中常用的一种方法叫做“控制变量法”，即：首先保持物体的质量不变，研究加速度与力的关系；然后保持物体所受的外力不变，研究加速度和质量的关系；最后经过总结推理，得出加速度与力、质量的关系。

本实验需要测量的物理量有加速度、力与质量，其中质量可用天平测量。那么，怎样测量（或比较）加速度呢？又怎样对物体提供和测量恒力呢？

2、突出重点的策略或方法：

（1）、本节课探究加速度与力的关系，学生已探究过小车速度随时间变化的规律，已具有了利用打点计时器测小车加速度的基本技能和方法，所以为大部分学生准备了足够的“利用打点计时器探究小车加速度与力关系”的实验器材。

（2）、本次探究为学生提供了气垫导轨1套，利用光电门测速研究，更具有利用先进设备研究问题的现代研究特色。

3、突破难点的策略和方法：

本次探究也为学生提供了课本P78图4．2-5的实验器材2套，此套方案虽不直接测出加速度，但利用“比较”的研究方法，不同于用打点计时器测出加速度，绘出a-F 图研究的方法，这样给学生自主选择的空间，学生更有主人翁的意识积极主动地参与研

究，也便于培养学生的发散思维，领悟用不同的方案、不同的方法研究，殊途同归。 4、本设计的特色或亮点：

以自主（自主设计方案、自主选择器材）、合作（四人一组协作）、探究为原则，注意结合学生和教材的特点选择不同的教学方法，以达到激发学生的学习兴趣，调动学生的积极性，让学生饶有兴趣地参与到教学的全过程中来，经过自己的思维活动和动手操作获得知识的目的，从而体验到科学探究的全过程、其中的乐趣和成功感。

六、教学流程

1、教学主要环节：

讨论，实验，分析，总结 2、教学流程图：

3、教学流程图说明：

提出问题→猜想（作出假设）→进行实验（收集数据）→数据分析→得出结论→反复验证→得出定律.

4、板书、板画设计：

（一）、加速度与力的关系

1.实验思路：保持质量不变，探究a 与F 的关系

2.数据分析 （二）、加速度与质量的关系

1.实验思路：保持受力不变，探究a 与M 的关系

2.数据分析 （三）、制定实验方案时的两个问题 1.怎样测量（或比较）物体的加速度 2.怎样提供和测量物体所受的恒力 （四）、怎样由实验得出结论

七、操作案例

导入新课 情景导入

多媒体播放十字路口红绿灯时摩托车、载重汽车减速停止与加速启动的画面。

通过以上画面我们可以看出，摩托车启动很快，而载重汽车启动很慢，这是为什么呢？

复习提问：物体运动状态的改变是指哪个物理量的改变？标志物体运动状态变化快慢的物理量是什么？

回答：物体运动状态的改变是指速度的改变，加速度是反映物体运动状态变化快慢的物理量.

通过上一节学习，我们知道：物体的质量越大，物体的运动状态越难改变；物体的质量越小，物体的运动状态较易改变.请同学们根据上节所学知识及日常见闻实例猜测一下：加速度的大小与哪些物理量有关？

学生猜想：加速度的大小与物体的受力、质量有关.

推进新课

既然物体的加速度与物体的质量和它受到的力有关，到底存在怎样的关系，请同学们讨论一下，通过什么实例可定性地说明它们之间的关系.

学生讨论后回答：

1、质量大的物体加速度小.如：并驾齐驱的大货车与小汽车在相同的制动力下，小汽车停下来用的时间少.

2、受力大的物体加速度大.如：赛车和普通小汽车质量相近，但赛车安装了强大的发动机，牵引力大，提速很快.

点评：通过类似的实例使学生获得感性认识，为下一步定量研究作好铺垫.下面我们来定量探究一下这三个量之间的关系.

加速度的大小与物体的受力和物体的质量有关，那么我们应用什么方法来研究加速度的大小与物体的受力和物体的质量之间的定量关系呢？

学生思考后回答：可以先研究加速度与物体受力的关系，再研究加速度与物体的质量的关系.

教师总结：当研究三个物理量之间的关系时，先要保持某个量不变，研究另外两个量之间的关系，再保持另一个量不变时，研究其余两个量之间的关系，然后综合起来得出结论.这种研究问题的方法叫控制变量法，是物理学中研究和处理问题时经常用到的方法.

下面通过控制变量法研究一下加速度与物体受力和质量的关系.

（一）、加速度与力的关系

让学生阅读课本，明确以下两个方面内容：

1、实验的基本思路：保持物体的质量不变，测量不同力下的加速度，分析加速度与力的关系.

2、实验数据的分析：根据定性分析判断结果：力越大，加速度越大，猜测a∝F,F n.

次数

1 2 3 4 5 6

项目

F/N

a/（m·s-2）

（3）描点 （4）连线

通过得到的图线，分析a 与F 的关系.实验发现a-F 图象是一条过原点的直线.改变小车的质量重复上面步骤，看得出的图象有什么不同. （二）、加速度与质量的关系

让学生阅读课本，明确以下两个方面的内容：

1.实验的基本思路：保持物体受力不变，测量不同质量下的加速度，分析加速度与质量的关系.

2.实验数据的分析：根据定性分析判断结果：质量越大，加速度越小，猜测a ∝m 1,n m

1 次数 项目 1

2

3

4

5

6 a/m ·s -2 m/kg

m 1

/kg -1 n m

1

/kg -n

（2）建立坐标系如图：a-

m 或a-n m

（3）描点

（4）连线

得到图线分析，分析a 与m 的关系.

为了增强学生做实验的目的性，引导学生分析以下内容：

这个实验需要测量的物理量有三个：物体的速度、物体所受的力、物体的质量.质量可用天平测量，本实验要解决的主要问题是怎样测量加速度和怎样提供与测量物体受到的力. （三）、制定实验方案时的两个问题

1.怎样测量（或比较）物体的加速度，你能想到哪些方法？让学生思考后回答：用如图所示的装置：在一端有滑轮的长木板上，放一小车，通过细绳另一端的钩码拉小车.

（1）让物体做初速度为零的匀加速直线运动，用刻度尺测量物体运动的位移，用秒表测量出运动的时间，由x=

2

1at 2

公式算出.

（2）让物体做初速度为零的匀加速直线运动.在运动物体后安装一条通过打点计时器的纸带，根据纸带上打出的点来测量加速度. （3）直接用加速度计测量. 总结：这些方法的共同特点是直接测出了加速度的大小，我们要探究的是加速度与其他量之间的比例关系，如果不直接测出加速度，我们能否找出加速度和质量之间的定量关系呢？

学生思考后回答：

①如果测出两个初速度为零的匀加速直线运动在相同时间内发生的位移x 1、x 2,位移之比就是加速度之比.

2

121x x a a = ②如果测出两个初速度为零的匀加速直线运动物体在相同位移内所用时间t 1、t 2，时间比的平方就是加速度之比的倒数.

21

2

221t t a a =

2.怎样提供和测量物体所受的恒力.

现实中，除了真空中抛出或落下的物体（仅受重力）外，仅受一个力的物体几乎是不存在的.然而，一个单独的力的作用效果与跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的，因此，实验中力F 的含义可以是物体所受的合力.那么，如何为一个运动的物体提供一个恒定的合力？如何测出这个合力呢？

交流讨论：用前边测加速度的器材，使物体做匀加速运动的力就是物体的合力，这个合力就等于钩码的重力.通过改变钩码的个数就可以改变物体所受的合力，通过测量钩码的重力就可测得物体所受的合力. 注意事项：

（1）在钩码质量远小于小车质量的条件下，钩码的重力大小才近似等于小车所受合力.（至于为什么，以后再讨论）

（2）小车在运动时还受到木板对它的滑动摩擦力，那么我们如何减小滑动摩擦力，使物体所受的合力尽可能接近钩码的重力？ 学生交流讨论，大胆设想，并小组总结. 结论：（1）换用接触面光滑的木板.

（2）平衡滑动摩擦力.方法：将木板一端垫高，让小车从木板上能匀速滑动. 根据上面讨论的内容选定自己的实验方案进行实验，记录实验数据. 学生进行分组实验，教师巡回指导. （四）、怎样由实验结果得出结论 学生分组实验结束后，利用前面的方法处理实验数据，分析得出实验结论，让小组代表发言. 教师对各小组学生的实验方案、数据处理方法、实验结论等情况进行评价，让学生明确，只要设计方案合理，亲身体验探究过程，至于能否得出正确结果并不多么重要. 课堂训练

1.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，为了研究抛体运动的加速度是否与物体的质量成反比，常常作出________图象.

解析：物体运动的加速度a 与物体的质量m 是成反比的关系，因此a-m 图象是一条双

曲线，而m

a 1

-图象是一条直线，作出a-m 图象，不易判断加速度跟质量的反比关系；而作出m

a 1

-

图象则容易判断加速度跟质量的反比关系. 答案：m

a 1

-

2.在做“验证牛顿第二定律”的实验时，计算出各纸带的加速度后，将测得的反映加速度a 和力F 关系的有关资料记录在表1中.将测得的反映加速度a 和质量M 关系的资料列在表2中.

a/(m ·s -2) 1.98 4.06 5.95 8.12 F/N 1.00 2.00 3.00

4.00

表2 a/(m ·s -2)

2.04 2.66

3.23 3.98 kg

M /1

0.50

0.67

0.80

1.00

（1）根据表中所列数据，分别画出a-F 图象和M

a -

图象. （2）从图象可以判定：当M 一定时，a 与F 的关系为______；当F 一定时,a 与M 的关系为_______.

（3）由aF 图象可知，M=_______.

（4）由M

a 1

-

图象可知，F=_______. 答案：（1）a-F 图象和M

a 1

-图象分别如图4-2-5甲、乙所示 （2）正比关系 反比

关系 （3）0.50 kg (4)4.02 N

重点归纳：通过本题可以看出，物体的加速度跟合外力成正比，跟物体的质量成反比.