物理实验探究加速度与力质量的关系学案新人教版

1、4.2实验：探究加速度与力、质量的关系 学案理解领悟一探无性实验是以获取新知识为目的的学习方法。 要在深入领会牛顿第一定律的基础 上，确定研究课题和方法，设计探究加速度、力、质量三者关系的研究方案，并体会探 所过程所用的科学方法一一控制变量法。基础级1. 实验要探究的内容力是物体产生加速度的原因，有力作用在物体上，就有加速度产生，且力越大，产 生的加速度也越大。在相同力的作用下，加速度的大小还与物体的质量有关。因此，本 实验要探究的内容是寻找加速度与力、质量三者间的关系。2. 探究实验的设计思路加速度既与力有关，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

2、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包力呢？3. 怎样测量（或比较）物体的加速度在第二章中，我们已经介绍过，运用打点计时器在与运动物体连接的纸带上打点， 由纸带上打出的点来测量加速度的方法。由于本实验的目的是探究加速度与力、 加速度与质量间的比例关系，因而也可不测 加速度的具体数值，而测不同条件下

3、加速度的比值。若两物体做初速度为0的匀加速运1.2x -at动，由2 可得，物体的加速度与在相同时间内发生的位移成正比，即 a 8 x。4. 怎样提供和测量物体所受的恒力我们以教材提供的实验“参考案例”为例，教材图 4.2-4所示实验装置中，为实验 研究对象一一小车（连同车内的整码）提供包力的是小盘和整码。实验中我们认为，使 小车做匀加速运动的力，与小盘和整码的重力大小相等。为此，必须满足以下两个实验 条件：?水平板应尽可能光滑，最好将水平板的一端垫高成为倾角不大的斜面，轻轻推 动小车（未挂小盘），使小车能在板上匀速运动，即用小车重力沿斜面方向的分力平衡 摩擦力。？小盘和整码的质量要比小车的质

4、量小很多。对此，学习了本章第七节“用牛顿 定律解决问题（二）”中的“超重与失重”，你就明白了。5. 实验注意事项对于教材提供的实验“参考案例”，操作时应注意以下几点：？牵引小车的整码应有10g、20g、50g等规格。没有小规格整码，可用沙桶装沙 替代，质量用天平称量。？探究加速度与力的关系：小车质量为 200g,两车上面均可加100g左右的整码。 保持其中一个小车所挂整码不变（如20g）,另一小车所挂整码逐渐加大，但不要过大。 整码质量过大，会使图象线性变差。？探究加速度与质量的关系：一车质量固定为300g,另一车质量可自200g起，逐 次增加整码至700g800go牵引小车的整码以30g40

5、g为宜。小车质量过大，夹子不容 易夹注车后拖线，造成位移误差。？小车后所系线缆要用适当粗些的棉纯，当夹子夹住线纯时不会滑动。如果用表 面较光滑的尼龙纯，当夹子闭合时线绳还会被小车拖一段距离才会停住。解决的办法可 在尼龙绳上擦一些松香，以增大线绳与夹子之间的摩擦力。?选择口宽、弹力大的夹子，使夹子张开和闭合动作要迅捷有力。动作缓慢，会 使某些夹子张开夹口时两侧张开的程度不一样， 张开较小的一侧所控制的小车拖绳受阻， 影响到小车运动。?注意小车运动停止的位置不能与定滑轮相碰。实验中如果小车碰到定滑轮才松 手让夹子夹住拖线，则与定滑轮相碰的小车位移偏小而产生误差。6. 数据处理方法本实验的数据处理可

6、以采用计算法和图象法两种不同的方法：？计算法 测得加速度或加速度之比（等于位移之比）后，通过计算看看是否满 足ai Fiai m2a2 F2 a2 1Tli、o？图象法 测得加速度后，用拉力F为横坐标，加速度a为纵坐标，描绘aF图1象，看看图象是否为过原点的倾斜直线；用 m为横坐标，加速度a为纵坐标，描绘a1一m图象（想想看，为什么不是描绘am图象），看看图象是否为过原点的倾斜直线。或者在测得加速度之比（等于位移之比）后，用两车拉力之比F2/F1为横坐标，两车位移之比X2/X1表示加速度之比a2/ai为纵坐标，描绘aF图象，看看图象是否为过原点1的倾斜直线；用m/m为横坐标，加速度adai为纵

7、坐标，描绘am图象，看看图象是 否为过原点的倾斜直线 发展级7 .测量加速度的一些设想vV0t在探究加速度与力、质量关系的实验中，测量（或比较）加速度是关键。那么，如 何测量（或比较）加速度呢？就我们现有的知识水平而言， 涉及加速度的公式或关系式 大致有以下这些：加速度的定义式匀变速直线运动速度公式v v0 at匀变速直线运动位移公式x Vot1at22 ，匀变速直线运动速度一位移关系式？V2 V； 2aX,匀变速直线运动 ST关系式s=aT可见，要测量（或比较）加速度 a,只要测量（或比较）时间t、速度V、位移x 或相邻的相等时间T内的位移之差 s即可。就实验仪器和装置而言，可以采用本节教

8、材“参考案例”中的实验装置，也可以利用打点计时器、气垫导轨等设备，或者借助运 动传感器用计算机测量。8 .两种测定加速度的仪器下面介绍两种测定加速度的仪器，供对此感兴趣的同学阅读，以开阔视野。？加速度仪一一利用压电晶体的压电效应的加速度仪，可以测量运动物体线加速 度和振动参数的仪器。它由加速度传感器和放大器组成。用压电晶体制成的加速度传感 器，具输出端产生的电码与它所承受的加速度成正比。 敏感元件由两片压电晶体圆片（错 钛酸铅）组成。圆片上按有一质量块。质量块由一个弹簧预先加载，整个组件安装在厚 基座的金属壳体内。当传感器随运动物体做加速运动时， 质量块向压电晶体圆片施加一 个与质量块加速度精

9、确地成比例的力。由于压电效应，在两个压电晶体圆片的两端产生 一个电势差（电压）。这个电势差也与质量块的加速度成正比。？加速度计一一测量运载体线加速度的仪表。它的基本模型是：加速度计由检测 质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼和壳体组成。检测质量受支承压束 只能沿一条轴线移动。这个轴常称为输入轴或敏感轴。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴 方向做加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性检测质量力图保持其原来的运动状态 不变。它与壳体之间将产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹力作用下随之加 速运动。当弹簧弹力与检测质量加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对运动。这时

10、，弹簧形变反映被测加速度的大小。 电位器作为位移传感元 件，使加速度信号转换为电信号，以供输出。加速度计本质上是一个自由度的振荡系统， 须采用阻尼器来改善系统的动态品质。应用链接本节课的应用主要涉及探究加速度与力、质量关系的实验设计思路、实验操作注意 事项、实验数据处理方法以及实验得出的正确结论。基础级例1请谈谈确定本实验研究课题的思路。提示 注意教材运用逻辑判断确定物理量证监会的联系所进行的铺垫。解析 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

11、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。点悟 实验研究课题的确立，为科学探究提出了一个明确的目标。 要注意通过观察 分析或逻辑推理，培养自己提出问题、确定研究课题的能力。例2在本探究实验中，为什么可用两车的位移之比表示加速度之比？提示寻找物体的位移与加速度之间的关系。解析 在本探究实验中，两车均做初速度为0的匀加速直线运动。由匀加速直线运+1 0+2x v0t at动位移公式？2,式中vo=0,且两车的运动时间t相等，故有a 8 x,即xi aix2 a2可用两车的

12、位移之比表示加速度之比。点悟 当问题探究的是某物理量与其他物理量之间的比例关系时，可以不测出该物理量的具体数值，只需测出不同情况下该物理量的比值就行了。例3在利用打点计时器探究加速度与力、质量关系的实验中，以下做法正确的是()A.平衡摩擦力时，应将重物用细绳通过定滑轮系在小车上B.每次改变小车的质量时，不需要重新平衡摩擦力C.实验时，先放开小车，后接通电源D. “重物的质量远小于小车的质量”这一条件如不满足，对探究过程也不会产生影 响提示 从实验条件和实验操作规范等方面加以考虑。解析 平衡摩擦力时，不把悬挂重物用细绳通过定滑轮系在小车上，即不对小车施加拉力。在木板无滑轮的一端下面垫一薄木块，

13、反复移动其位置，直到拖在小车后面的 纸带上打出的点距均匀为止。设木板的倾角为9 ,则平衡摩擦力后有mgsin 0 =仙mgcos 8 ,即8 = arctan卜,0与小车的质量无关，故每次改变小车的质量时，不需 要重新平衡摩擦力。实验时，应先接通电源，待打点计时器工作稳定后再放开小车。实 验要求重物的质量远小于小车的质量，因为只有这样，重物的重力才近似等于细纯对小 车的拉力。正确选项为Bo点悟 注意实验条件、平衡摩擦力的目的和做法，以及打点计时器的规范操作。1例4在研究加速度与质量的关系时，为什么要用m为横坐标，加速度a为纵坐标，工描绘am图象，而不是描绘am图象？提示从图象反映物理量关系的直

14、观性加以说明。解析 根据我们的经验，在相同力的作用下，质量 m越大，加速度a越小。这可能 是“a与m成反比”，但也可能是“ a与m成反比”，甚至可能是更复杂的关系。我们 从最简单的情况入手，检验是否“ a与m成反比”。实际上“ a与m成反比”就是“ a与m成正比”，如果以m为横坐标、加速度a为纵坐标建立坐标系，根据am图象是不是过原点的直线，就能判断加速度 a是不是与质量m成反比。当然，检查am图象是不是双曲线，也能判断它们之间是不是反比例关系，但检查这条曲线是不是双曲线并不容易；而采用a- m图象，检查图线是不是过原点的倾斜 直线，那就容易多了。所以，在研究加速度与质量的关系时，要描绘a m

15、图象，而不是描绘am图象。 点悟“化曲为直”，是实验研究中经常采用的一种有效方法。发展级例5在“探究加速度与力、质量的关系”这一实验中， 有两位同学通过测量，分别作出aF图象，如图414(a) (b)中的A、B线所示；试分析：?(1)? 峨不通过坐标原点的原因是? ?(2)?瞰不通过坐标原点的原因是图4 14提示从图线在坐标轴上截距的物理意义着手分析。解析(1)? A线在F轴上有一定的截距，表明F达到一定的值后小车才开始有加速度, 这是没有平衡摩擦力，或平衡摩擦力不够引起的。(2)? B线在a轴上有一定的截距，表明F为0即不加F时小车已经有了一定的加速度，这是平衡摩擦力时木板倾角9太大，即平衡摩擦力过度引起的。点悟运用图象分析实验误差原因，这是实验探究中一项很重要的能力。例6某同学用弹簧测力计、木块和细纯去粗略测定木块与固定斜面之间的动摩擦因数以。设此斜面的倾角9不大，不加拉力时木块在斜面上保持静止。(1)?是否要用测力计称出木块的重力？(2)?写出实验的主要步骤。(3)?推导出求卜的计算式提示 用测力计拉动木块沿斜面做匀速运动。解析(1)?要用测力计称出木块的重力(这从下面求小的计算式中即可看出)(