实验探究加速度与力质量的关系教学设计.docx
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实验探究加速度与力质量的关系教学设计
实验:
探究加速度与力、质量的关系
【教材分析】
本节选自人教版高中物理教材第四章第2节《实验:
探究加速度与力、质量的关系》,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。
教材中实验的基本思路
是采用控制变量法。
本实
验要测量的物理量有质量、
加速度和外力。
测量质量用天平,需要研究的是怎样测量加速度和外力。
(1)测量加
速度的方案:
①方法1:
小车做初速度为0的匀加速直线运动,直接测量小车移动的位移x和发生这段位移所用的时间t,a=2x/t2计算出加速度a。
②方法2:
将打点计时器的纸带连在小车上,根据纸带上打出的点来测量加速度。
③方法3:
让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等,那么由a=2x/t2可知,它们的位移之比就等于加速度之比。
(2)提供并且测量物体所受的外力的方案:
由于我们上述测量加速度的方案只能适用于匀变速直线运动,所以我们必须给物体提供一个恒定的外力,并且要测量这个外力。
但测力有一定困难,还
需平衡摩擦,教材的参考案例提供的外力比较容易测量。
【教学目标与核心素养】
一、教学目标
1.学会通过实验探究物体加速度与力、质量的关系
2.在实验中掌握打点计时器的用法
3.对自己的实验结果进行归纳分析
二、核心素养
物理观念:
在处理实验问题时建立采用控制变量的方法对a、F、m三个物理量间的数量关系进行定量研究和根据实验数据,归纳、推理实验结论定量分析的物理观念。
科学思维:
理解实验思路的合理性,以及用图象处理实验数据的有效性
科学探究:
经历实验的操作和测量过程,以及通过图象处理实验数据的过程,体验如何平衡摩擦阻力、减少系统误差的操作方法。
科学态度与责任:
通过探究实验,培养实事求是、尊重客观规律的科学态度;学会与他人合作、交流,具有团队意识和团队精神。
【教学重点】
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.实验数据的分析和处理
【教学难点】
1.控制变量法的使用
2.误差来源分析
【教学过程】
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
知识回顾
1.牛顿第一定律的内容是什么?
教师总结并强调:
一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。
2.惯性与质量的关系是什么?
教师总结并强调:
质量是惯性大小的唯一量度,质量越大惯性越大。
可见力是改变物体运动状态的原因,质量大的物体运动状态不容易改变。
所以加速度与力、质量之间必然存在一定的关系。
下面我们通过实验分别从两方面来探究加速度与力、质量之间的定量关系:
①加速度与力的关系;②加速度与质量的关系。
学生回答:
1.牛顿第一定律的内容和惯性与质量的关系
为了说明加速度与力、质量之间的定量关系做铺垫,明白本节所要研究的内容。
讲授新课
一、实验:
探究加速度与力、质量的关系
1.实验目的:
:
定量分析a、F、m的关系。
2.实验方法:
控制变量法
例如:
在研究某个物理量y与另外两变量x1、x2的关系时,先固定一个变量x2不变,研究y与另一个变量x1之间的定量关系;然后再固定变量x1不变,研究y与x2之间的关系。
3.实验思路
将小车置于水平木板上,通过滑轮与槽码相连。
小车可以在槽码的牵引下运动。
出示图片
(1)加速度与力的关系
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)加速度与质量的关系
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。
出示动画:
探究加速度与力、质量的关系
4.物理量的测量
本实验需要测量的物理量有三个:
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。
(1)质量的测量
质量可以用天平测量。
为了改变小车的质量,可以在小车中增减砝码的数量。
(2)加速度的测量
①方法1:
小车做初速度为0的匀加速直线运动,直接测量小车移动的位移x和发生这段位移所用的时间t,a=2x/t2计算出加速度a。
②方法2:
将打点计时器的纸带连在小车上,根据纸带上打出的点来测量加速度。
③方法3:
让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等,那么由a=2x/t2可知,它们的位移之比就等于加速度之比,即:
这样,测量加速度就转换成测量位移了。
(2)力的测量
现实中,仅受一个力作用的物体几乎不存在,所以实验中作用力F的含义是物体所受的合力。
那么,如何测小车所受合外力F合?
我们通过下面具体实验来说明。
二、实验设计
实验设计1:
用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
1.实验器材:
小车、打点计时器、纸带、一端带滑轮的长木板、细线、砝码、钩码、刻度尺、天平。
2.实验步骤
(1)用天平测出小车的质量;
(2)按图装好实验器材,平衡摩擦力。
(3)控制小车质量不变,用细线将钩码与小车相连,打开打点计时器,释放小车,测出一组数据。
(4)保持小车上的砝码个数不变,改变钩码质量,并测量得F(钩码质量远小于小车质量),多测几组数据。
注意:
只有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。
(5)控制钩码质量不变,改变小车质量,再测几组数据填入表中。
(6)分析每条纸带,测量并计算出加速度的值;
(7)作a-F关系图象,并由图象确定a-F关系。
思考讨论:
怎样平衡小车的摩擦力?
在长木板的不带定滑轮的一端下面垫上一块薄木板,反复移动薄木板的位置,直至小车在斜面上运动时以保持匀速运动状态,这样小车所受合力为零,平衡了小车的摩擦力。
小车受到的摩擦力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡。
4.进行实验
表1:
小车质量一定
拉力F
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
加速度a
0.15
0.31
0.43
0.59
0.76
思考:
如何更直观地处理数据?
以a为纵坐标、F为横坐标建立直角坐标系。
根据各组实验数据在坐标纸上描点,观察图像。
这些点在一条过原点的直线附近,说明加速度a与拉力F成正比。
表2:
小车所受的拉力一定
质量m
0.400
0.500
0.750
1.000
1.200
加速度a
0.861
0.692
0.470
0.352
0.290
质量
2.50
2.00
1.33
1.00
0.83
在相同拉力作用下,质量m越大,加速度a越小。
我们很难直观看出图线是否为双曲线,那么,怎样判断a与m成不成反比呢?
如果a-m图像是双曲线,a与m成反比,也就是a与1/m成正比。
如图的图线为过原点的直线,所以在相同拉力作用下a与1/m成正比,即:
a与m成反比
注意事项
1.实验中应先接通电源后释放小车.
2.在平衡摩擦力时不要悬挂任何物体。
3.改变钩码的质量过程中,要始终保证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。
4.作图时应使所作的直线通过尽可能多的点,不在直线上的点也要尽可能的分布在直线的两侧,但若遇到个别偏离较远的点可舍去。
实验设计2:
通过位移之比测量加速度之比
1.实验器材:
两辆相同的小车、一端带滑轮的长木板、细线、小盘、夹子、不同的重物。
出示图片
2.实验步骤
(1)将两辆相同的小车放在水平木板上,前端各系一条细线,线的另一端跨过定滑轮各挂一个小盘,盘中可以放不同的重物。
(2)把木板一端垫高,平衡摩擦力。
(3)控制小车质量不变,在两个小盘中放不同的重物,两小车后端各系一条细线,用夹子控制小车的动与停。
(4)用刻度尺测出两小车移动的位移x1、x2。
由于两小车运动时间t相同,从它们的位移之比就可以得出加速度之比。
控制m不变,探究a与F的关系
(5)在盘中重物相同的情况下,通过增减小车中的重物改变小车的质量。
(6)作x2/x1与F2/F1关系图象,并由图象确定它们的关系。
小车质量一定
次数
小车1
小车2
比值
F1/N
x1/cm
F2/N
x2/cm
F1/F2
x1/x2
1
9.00
28.80
14.00
45.00
0.64
0.64
2
9.00
23.20
19.00
50.50
0.47
0.46
3
14.00
29.90
24.00
52.20
0.58
0.57
4
14.00
23.40
29.00
51.20
0.48
0.46
实验结论:
当小车的质量不变时,小车的加速度与拉力的关系是:
在误差允许的范围内,小车的加速度与拉力成正比;同理通过实验也可得出:
在相同拉力作用下a与1/m成正比,即:
a与m成反比。
科学方法:
控制变量
控制变量的方法是指在研究和解决问题的过程中,对影响事物变化规律的独立因素加以人为控制,使其中只有一个因素按照特定的要求发生变化,而其他因素保持不变,以利于寻找事物发展变化的规律的方法。
本节在探究加速度与力、质量之间的关系时,就采用了控制变量的方法,它是科学研究中常用的一种方法。
课堂练习
1.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,备有下列器材:
A.电火花计时器;B.天平;C.停表;D.交流电源;E.电池;F.纸带;G.细绳、砝码、滑块;H.气垫导轨(一端带定滑轮);I.毫米刻度尺;J.小型气泵。
(1)实验中应选用的器材有————————————————————————;
实验的研究对象是——————————————————。
(2)本实验分两大步骤进行:
①————————————————————
②——————————————————————。
答案:
(1)A、B、D、F、G、H、I、J
放在气垫导轨上的滑块
(2)①研究a与F的关系(m一定)
②研究a与m的关系(F一定)
2.某小组利用如图所示的实验装置做“探究加速度与力、物体质量关系”的实验。
实验中平衡摩擦力后,他们还调节木板上定滑轮,使牵引小车的细线与木板平行,这样做的目的()
A.避免小车在运动过程中发生抖动
B.使打点计时器在纸带上打出的点迹清晰
C.保证小车最终能够做匀速直线运动
D.使细线拉力等于小车受到的合力
答案:
D
3.实验探究加速度与力、质量的定量关系,下列认识正确的是()
A.F、m和a三个物理量都有直接测量的工具;
B.实验时为消除摩擦力对小车运动的影响,要将木板无滑轮的一端垫高,直到小车不挂重物时也能自己沿长木板运动起来;
C.实验时重物通过细绳拉小车的力要比重物的重力小;
D.根据实验数据,得到的F不变时的a-m图象是过原点的倾斜直线。
答案:
C
4.在研究物体的“加速度、作用力和质量”三个物理量的关系时,我们用实验研究了小车“在质量一定的情况下,加速度和作用力的关系”;又研究了“在作用力一定的情况下,加速度和质量之间的关系”.这种研究物理问题的科学方法是()
A.建立理想模型的方法
B.控制变量法
C.等效替代法
D.类比法
答案:
B
1.“探究加速度与力、质量的关系”实验装置如图所示,为研究加速度a与力F之间的关系,下列说法正确的是()
A.需保持盘和砝码质量不变;
B.需保持小车质量不变;
C.盘和砝码的重力一定与小车受到的拉力大小相等
D.处理数据时,作出a−1/F图象能直观判断a与F之间的关系。
答案:
B
2.在实验“探究加速度与质量的关系时”,下列说法中正确的是()
A.应改变拉力的大小;
B.每次改变小车质量时,必须重新平衡摩擦力;
C.为了直观判断二者之间的关系,应作出a-1/m图象;
D.平衡摩擦力时,应将重物用细线通过定滑轮系在小车上。
答案:
C
学生阅读课文说出实验目的、实验思路、实验方法。
学生观看动画
阅读课文理解掌握实验中需要测量哪些物理量
阅读课文掌握加速度的测量的方法
观察图片在理解的基础上说出实验器材
根据实验步骤进行实验操作
学生思考讨论:
怎样平衡小车的摩擦力?
学生记录实验数据作图并总结实验结论
学生记忆注意事项
观察图片在理解的基础上说出实验器材
根据实验步骤进行实验操作
学生记录实验数据作图并总结实验结论
阅读课文理解
控制变量的意思
学生练习
锻炼学生的自主学习能力。
对加速度、力和质量之间的关系有一个定性了解
为下面实验的顺利进行做铺垫
锻炼学生的观察理解能力
锻炼学生的动手操作能力
掌握平衡摩擦力的方法
锻炼学生的处理数据的能力和归纳总结能力。
锻炼学生的记忆能力掌握实验中的细节
锻炼学生的观察理解能力
锻炼学生的动手操作能力
锻炼学生的处理数据的能力和归纳总结能力。
锻炼学生自主学习的能力
巩固本节知识
课堂小结
1.实验目的:
:
定量分析a、F、m的关系。
2.实验方法:
控制变量法
3.实验思路
(1)保持物体的质量不变,研究加速度与力的关系。
(2)保持物体受力不变,研究加速度与质量的关系。
4.作图时应使所作的直线通过尽可能多的点,不在直线上的点也要尽可能的分布在直线的两侧,但若遇到个别偏离较远的点可舍去。
梳理自己本节所学知识进行交流
根据学生表述,查漏补缺,并有针对性地进行讲解补充。
板书设计
一、实验:
探究加速度与力、质量的关系
1.实验目的:
:
定量分析a、F、m的关系。
2.实验方法:
控制变量法
3.实验思路
(1)保持物体的质量不变,测量不同力下的加速度。
(2)保持物体受力不变,测量不同质量下的加速度。
二、实验设计方案
1.实验设计1:
用阻力补偿法探究加速度与力、质量的关系
2.实验设计2:
通过位移之比测量加速度之比
3.作图时应使所作的直线通过尽可能多的点,不在直线上的点也要尽可能的分布在直线的两侧,但若遇到个别偏离较远的点可舍去。
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