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4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系
【教材分析】
牛顿第二定律作为高中力学中最重要的研究方法之一，教材从牛顿第一定律出发，提出探究加速度与力、质量的关系的必要性，并从实验思路设计、物理量的测量、实验过程和数据分析等几个方面引导学生完成探究。对学生来说，实验本身就是一个难点，而这个实验又是力学中最重要的物理实验，其中包含的物理思想非常重要，需要其具备一定的物理素养才能够掌握，而作为老师就是引导学生理解和正确设计实验，并领会其中的奥妙。
【教学目标与核心素养】
[物理观念]了解加速度与力和质量的关系。
[科学思维]经历探究加速度与力、质量的关系的设计过程，会自主设计实验方案进行探究。
[科学探究]学会控制变量法，并掌握用图像法处理数据的方法。
[科学态度与责任]经历实验操作和测量的过程，体会探究过程的科学性和严谨性，学会对误差进行处理并对实验进行改进，培养与人合作的团队精神。
【教学重难点】
教学重点：让学生经历加速度与力、质量关系的探究过程，体会探究的本质，培养学生提出问题、批判性思维、交流和合作等能力。
教学难点：从实验数据中分析加速度与力及加速度与质量的关系，特别是在探究加速度与质量的关系时，用的数据作为横坐标来处理数据。
【课前准备】
多媒体课件、课本实验配套实验器材、坐标纸等。
【课时安排】
1课时
【教学过程】
[新课导入]
速度是描述物体运动状态的物理量，加速度是描述速度变化快慢的物理量。因此，可以说加速度是描述物体运动状态变化快慢的物理量。通过牛顿第一定律的学习，我们知道力是改变物体运动状态的原因，即力是引起加速度的原因，而物体运动状态改变的难易程度与物体的质量有关，可见，物体的加速度与物体所受的力、物体的质量之间必然有一定的关系。下面我们来探究加速度与力、质量之间的关系。
[新课讲授]
一、实验思路
教师提问：加速度与力和质量都有关系，如何判断力与质量对加速度的影响？
学生回答：控制变量法：
1．保持质量不变，探究加速度和外力之间的关系；
2．保持外力不变，探究加速度和质量之间的关系。
二、物理量的测量
教师提问：本实验需要测量的物理量有哪些？
学生回答：物体的质量M、物体所受的作用力F和物体运动的加速度a。
教师：该如何测量？
1．质量M用天平测量；
2．加速度a的测量
方法（1）小车做初速度为0的匀加速直线运动，量出位移x与时间t，然后根据a＝ 计算加速度。
方法（2）利用打点计时器打出的纸带测量小车的加速度a；
“逐差法”求解加速度，如：a＝
方法（3）该实验也可以不测量加速度的具体数值，因为我们探究的是加速度与其他物理量之间的比例关系，因此测量不同情况下物体的加速度的比例即可。如：让两个小车做初速度为0的匀加速直线运动，在相等的时间内，由x＝at2，知＝，把测量加速度转换成测量位移。
3．力的测量
现实中，仅受一个力作用的物体几乎不存在，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，实验中作用力F可以是物体的合力。如何为运动的物体提供一个恒定的合力，又如何测量这个合力呢？
方法（1）用阻力补偿法补偿打点计时器对小车的阻力及其他阻力，小车所受的拉力近似等于槽码的总重力。
阻力补偿后，绳的拉力F为小车所受合外力，绳的拉力F＝mg须满足m M的条件，其中m为槽码质量，M为小车质量，具体的原因等学完牛顿第二定律后进行分析。
方法（2）用传感器或弹簧测力计测拉力
三、进行实验（参照方案一：通过打点计时器探究加速度与力、质量的关系）
1．用天平测出小车的质量M，并把数值记录下来；
2．按如图所示的装置把实验器材安装好(小车上先不系细线)；
3．平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫上垫木，反复移动垫木位置，启动打点计时器，直到轻推小车使小车在斜面上运动时可保持匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等)，此时小车重力沿斜面方向的分力等于打点计时器对小车的阻力和长木板的摩擦阻力及其他阻力之和；
4．把细线绕过定滑轮系在小车上，另一端挂上槽码。保持小车质量不变，改变槽码的个数，以改变小车所受的拉力。处理纸带，测出加速度，将结果填入表1中；
表1　小车质量一定
拉力F/N
加速度a/(m·s－2)
5．保持槽码个数不变，即保持小车所受的拉力不变，在小车上加放砝码，重复上面的实验，求出相应的加速度，把数据记录在表2中；
表2　小车所受的拉力一定
质量m/kg
加速度a/(m·s－2)
四、数据分析
1．分析加速度a与力F的定量关系
由表1中记录的数据，以加速度a为纵坐标，力F为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a－F图像，如图所示，若图像是一条过原点的直线，就能说明a与F成正比。
2．分析加速度a与质量m的定量关系（化曲为直）
由表2中记录的数据，以a为纵坐标，以为横坐标，根据测量数据描点，然后作出a－图像，如图所示。若a－图像是一条过原点的直线，说明a与成正比，即a与m成反比。
3．实验结论
(1)保持物体质量不变时，物体的加速度a与所受拉力F成正比；
(2)保持拉力F不变时，物体的加速度a与质量m成反比。
板书设计
4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系
一、实验思路
用控制变量法探究加速度a与力F的关系和加速度a与质量m的关系。
二、物理量的测量：质量、加速度、力的测量
三、实验注意：
1．把木板的一侧垫高；
2．小车能拖动纸带沿木板匀速运动；
3．小车的质量要远大于钩码的质量。

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