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第五章　牛顿运动定律
第2节　科学探究：加速度与力、质量的关系
本节选自鲁科版必修一第五章第二节，是一节实验探究课。本节通过实验探究加速度与力、质量的关系，为下一节牛顿第二定律的学习奠定基础。教材先从日常生活中常见的推车情景，提出探究问题，在进一步通过实验探究加速度与力、质量的关系。
【物理观念】能用图像分析实验数据并得出实验结论；会分析导致实验误差的原因，提出减小实验误差的措施。
【科学思维】理解探究加速度与力、质量的关系的科学探究方案，有控制变量的意识。
【科学探究】能完成“探究加速度与力、物理质量的关系”实验；能设计实验方案，有控制变量的意识；能根据数据形成结论，会分析导致误差的原因。
【科学态度与责任】在实验的设计和实施中，增强学生的沟通交流能力和实验操作能力；培养学生实事求是、科学求真的物理态度。
【教学重点】理解实验原理及设计；能根据实验方案完成实验，记录和分析实验数据得出结论。
【教学难点】根据探究方案完成实验，运用图像分析实验数据并得出实验结论，分析导致误差的原因。
【导入新课】（温故知新）
1、判断物体运动状态是否改变的依据是什么？
2、根据牛顿第一定律，物体运动状态改变的原因是什么？
分别得出“速度是否改变”和“力是改变物体运动状态的原因”。以这两个问题引出“力与加速度的关系”
力 速度改变 加速度
力是产生加速度的原因
思考：加速度与力有何关系？ 加速度还与哪些因素有关？ 引出本节主题。
【新课讲授】
一、定性探究加速度与力、质量的关系
(观察思考) 加速度与力、质量因素有何关系？
定性讨论1：加速度的大小与力有什么关系？
现象：车身质量一定时，推车的人越多，推力越大，车的速度改变就越快
结论1：对同一物体，作用力越大，加速度越大
定性讨论2：加速度的大小与质量有什么关系？
现象：推力一定时，空载的汽车比满载时速度变化快
结论2：对不同物体，在相同的作用下，物体质量越小，加速度越大
思考：在实际情况中，真满足这样的规律么？
二、实验探究加速度与力、质量的关系
【实验目的】探究加速度与力、质量的关系
【实验方法】“加速度”与“力”、“质量” 二个物理量均有关系，应该如何探究它们的关系？
引出“控制变量法”。
1、保证质量一定，探究加速度与力的关系；2、保证合外力一定，探究加速度与质量的关系
【实验器材】带滑轮的木板、薄垫块、小车、细绳、重物（小钩码或沙桶）、打点计时器、纸带、交变电流、天平、砝码、刻度尺
【实验原理与设计】思考：如何测量加速度、力、质量？
质量可由天平测量；加速度和力如何测量？
(
s
1
s
2
s
3
s
4
s
5
s
6
)1、求加速度。可根据纸带利用逐差法求物体运动的加速度。
(
·
·
)求合力。
在本实验中,如何为运动的物体提供一个恒定的外力, 又如何测出这个力
在绳的一端挂钩码; 测量钩码的重力。
如何改进能让小车所受到的合外力等于细线上的拉力？
可以平衡摩擦力。将木板一端垫高，让不悬挂钩码的小车做匀速直线运动。
线的拉力在什么时候等于钩码的重力？
理论计算表明：在钩码质量远小于小车质量时，线的拉力近似等于钩码的重力。
3、思考：如何改变合外力的大小？（通过改变悬挂钩码的数量来改变）
思考：如何改变运动物体的质量？（通过改变小车上砝码的数量来改变）
【实验步骤】
(1)将小车置于带有定滑轮的木板上,将纸带穿过打点计时器后挂在小车尾部。
(2)用薄垫块将木板一端垫高,调整其倾斜程度,直至小车运动时打点计时器在纸带上打出的点分布均匀为止。
(3)在细绳一端挂上重物,另一端通过定滑轮系在小车前端。注意重物质量应远小于小车质量。
(4)将小车靠近打点计时器后开启打点计时器,稍后再将小车由静止释放。打点计时器在纸带上打出一系列点,据此计算出小车的加速度。保持小车质量不变,增加重物的质量(重物总质量仍远小于小车质量),重复实验,将小车所受的不同拉力与相应计算出的加速度记录下来。
实验序号 加速度α(m/s2) 拉力F(N)
1
2
3
4
5
(5)保持重物不变,增加或减少小车上的砝码以改变小车的质量,重复实验,将小车的质量与相应的加速度记录下来。
实验序号 加速度α(m/s2) 质量m/kg
1
2
3
4
5
【数据处理】1. 探究加速度与合力的关系(保证小车质量不变)
实验序号 加速度α(m/s2) 拉力F(N)
1 0.10 0.146
2 0.20 0.302
3 0.30 0.428
4 0.40 0.592
5 0.50 0.751
(
F
/ N
)思考：如何处理数据能更直观的得出结论？
2. 探究加速度与质量的关系(保证小车合力不变)
(
m/ kg
a/m·s
-2
a
/m·s
-2
0.2
0.15
0.4
0.30
0.6
0.45
0.8
0.60
1.0
0.75
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
)
(
1/
m
(kg
-1
)
a/m·s
-2
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
)
【实验结论】
m 一定时，a ∝ F ； F一定时，a ∝ 1/m
【注意事项】
（1）平衡摩擦时，不能挂重物。整个实验过程只需平衡一次摩擦。
（2）实验时，先接通电源，后释放小车。
（3）为了保证细线的拉力等于小车受到的牵引力，细线要与木板保持平行。
（4）为了充分利用纸带，每次开始时，小车应尽量靠近打点计时器，为防止小车翻到地面，要在小车碰到滑轮前用手挡住小车。
【跟踪评价】实验中作出的a-F图像有时不过原点,如图所示,造成这种现象的主要原因可能是以下现象的哪一种？
(1) 平衡摩擦力时垫得太高了
(2) 实验中没有平衡摩擦力或摩擦力平衡不充分
通过“跟踪评价”，让学生了解实验中因为平衡摩擦力所常出现的误差。
【练习1】(多选)在做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时,下列说法中正确的是(　 　)
A.平衡摩擦力时,应将砝码通过定滑轮拴在小车上
B.连接砝码和小车的细绳应跟长木板保持平行
C.平衡摩擦力后,长木板的位置不能移动
D.小车释放前应靠近打点计时器,且应先接通电源再释放小车
【练习2】下列说法正确的是（ ）
A在探究加速度与质量的关系时，只需测量一次，记录一组数据即可
B在探究加速度与质量的关系时，为了更直观判断两者间的关系，应做a-1/m图像
C在探究加速度与力的关系时，只需测量一次，记录一组数据即可
D在探究加速度与力的关系时，做a-F图像应该用折线将所描绘的点依次连接

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