《实验：探究加速度与力、质量的关系》导学案

1、 第第2 2节实验：探究加速度与节实验：探究加速度与 力、质量的关系力、质量的关系1.2 时间和位移时间和位移1.1.理解探究加速度与力、质量的关系的合理性和必要性。理解探究加速度与力、质量的关系的合理性和必要性。2.2.理解实验思路的合理性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。以及用图象处理实验数据的有效性。3.3.经历实验的操作和测量过程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以及通过图象处理实验数据的过程, ,体验如何平衡摩擦力、减小系统误差体验如何平衡摩擦力、减小系统误差( (钩码所受的重力不等于小车钩码所受的重力不等于小车所受的拉力等所受的拉力

2、等) )的操作方法。的操作方法。4.4.体会整个探究过程的科学严谨性和合理性。体会整个探究过程的科学严谨性和合理性。1.1.物体运动状态变化的快慢物体运动状态变化的快慢, ,也就是物体加速度的大小也就是物体加速度的大小, ,与物与物体的体的 有关有关, ,还与还与 的大小有关。的大小有关。2.2.探究加速度与力的关系的基本思路探究加速度与力的关系的基本思路: :保持物体的保持物体的 不变不变, ,测量物体在不同的外力作用下的加速度测量物体在不同的外力作用下的加速度, ,分析加速度与力的分析加速度与力的关系。如果加速度关系。如果加速度a a与力与力F F成正比成正比, ,则则a- -F图象是一条

3、过图象是一条过 。合力质量质量原点的直线3.3.探究加速度与质量的关系的基本思路探究加速度与质量的关系的基本思路: :保持物体保持物体 不变不变, ,测量不同质量的物体在该力作用下的加测量不同质量的物体在该力作用下的加速度速度, ,分析加速度与质量的关系。如果加速度分析加速度与质量的关系。如果加速度a与质量与质量m成反成反比比, ,则则 图象就是一条过原点的直线。图象就是一条过原点的直线。所受的合力(或 ) ) a-m- 解答解答: :实验中实验中, ,小车做初速度为小车做初速度为0 0的匀加速直线运动。根据公式的匀加速直线运动。根据公式x= at2 2, ,可知相同时间内两车的位移之比等于加

4、速度之比。可知相同时间内两车的位移之比等于加速度之比。解答解答: :平衡摩擦力后平衡摩擦力后, ,细绳的拉力细绳的拉力F就是物体受到的合力。就是物体受到的合力。解答解答: :本实验若画本实验若画a-M图象图象, ,可以得到一条曲线可以得到一条曲线, ,但看不出可能存在的关但看不出可能存在的关系系; ;而而a- 图象是直线图象是直线, ,可以很直观地看出关系。可以很直观地看出关系。1.1.在本探究实验中在本探究实验中, ,为什么可用相同时间内的位移之比表示加速度之比为什么可用相同时间内的位移之比表示加速度之比? ?2.2.为什么要平衡摩擦力为什么要平衡摩擦力? ?3.3.为什么本实验在处理实验数

5、据时画的是为什么本实验在处理实验数据时画的是a- 图象而不是图象而不是a-M图象图象? ?主题主题1:1:加速度与力、质量的关系加速度与力、质量的关系(1)(1)在在“探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系”的实验中的实验中, ,研究三个物理量之间研究三个物理量之间的关系时的关系时, ,实验的基本思路体现了哪种实验方法实验的基本思路体现了哪种实验方法? ?(2)(2)在这个实验中研究的对象是小车在这个实验中研究的对象是小车, ,我们怎样改变和测量它们的质量我们怎样改变和测量它们的质量? ?(3)(3)实验得出的数据最终如何处理实验得出的数据最终如何处理? ?这样处理有什么特点这样

6、处理有什么特点? ?解答解答:(1)控制变量法。控制变量法。(2)小车的质量可以用天平来测量小车的质量可以用天平来测量,可以用加减砝码的方法来改变小车的可以用加减砝码的方法来改变小车的质量。质量。(3)将实验得出的数据最终在相应坐标系上描点连线将实验得出的数据最终在相应坐标系上描点连线,我们通过对物理量我们通过对物理量的转变的转变,尽可能得到过原点的直线尽可能得到过原点的直线,这样物理量的关系就比较直观、明显。这样物理量的关系就比较直观、明显。知识链接:研究多变量的问题常采用控制变量法,它是科学探究中的重要思想方法,在物理学中有广泛地运用。主题主题2:2:加速度的测量加速度的测量加速度是物体速

7、度的变化率加速度是物体速度的变化率, ,请阅读教材中请阅读教材中“怎样测量怎样测量( (或比较或比较) )物体的物体的加速度加速度”标题下面的内容标题下面的内容, ,结合教材中的参考案例分析下列问题。结合教材中的参考案例分析下列问题。(1)(1)实验中应怎样测量实验中应怎样测量( (或比较或比较) )物体的加速度物体的加速度? ?(2)(2)在在“参考案例一参考案例一”中如何控制两小车具有相同的运动时间中如何控制两小车具有相同的运动时间? ?本实验方本实验方案会引起哪些误差案会引起哪些误差? ?解答解答:(1)用打点计时器在和运动小车连在一起的纸带上打点用打点计时器在和运动小车连在一起的纸带上

8、打点,然后由纸带然后由纸带上打出的点来测量计数点间的距离上打出的点来测量计数点间的距离,计算小车运动的加速度计算小车运动的加速度,其公式其公式为为:a= 。若两物体做初速度为零的匀加速直线运动若两物体做初速度为零的匀加速直线运动,由由x= at2 2可知可知,物体的加速度物体的加速度与在相同时间内发生的位移成正比与在相同时间内发生的位移成正比,即即ax。知识链接:“参考案例一”中利用匀变速直线运动位移公式将加速度的测量转换为较为方便的位移测量,这是转换思维方法。(2)用黑板擦同时控制两根细绳用黑板擦同时控制两根细绳,抬起黑板擦抬起黑板擦,可使两个小车同时由静止开可使两个小车同时由静止开始运动始

9、运动;按下黑板擦压住细绳可使两个小车同时停止运动按下黑板擦压住细绳可使两个小车同时停止运动,以保证两个小以保证两个小车运动时间相同。导致误差的原因有车运动时间相同。导致误差的原因有:位移的测量误差位移的测量误差;按下黑板擦按下黑板擦往往不能使两车立即停止运动往往不能使两车立即停止运动,不能有效保证运动时间不能有效保证运动时间t相等和位移准确。相等和位移准确。主题主题3:3:物体的合外力物体的合外力请你根据本节课提供的实验仪器并阅读教材中请你根据本节课提供的实验仪器并阅读教材中“怎样提供并测量物体怎样提供并测量物体所受的恒力所受的恒力”的内容的内容, ,结合结合“参考案例二参考案例二”, ,思考

10、讨论下列问题。思考讨论下列问题。(1)(1)如何测量小车所受的合外力如何测量小车所受的合外力? ?(2)(2)长木板一端垫起一些后长木板一端垫起一些后, ,如何确定恰好平衡了摩擦力如何确定恰好平衡了摩擦力? ?(3)(3)绳子的拉力等于钩码的重力吗绳子的拉力等于钩码的重力吗? ?为什么为什么? ?什么情况下钩码重力可以近什么情况下钩码重力可以近似等于绳子拉力似等于绳子拉力( (即小车所受的合外力即小车所受的合外力)?)?解答解答:(1)将长木板倾斜一定角将长木板倾斜一定角,满足方程满足方程mgsin =mgcos ,此时小车在此时小车在斜面上受到的合外力为斜面上受到的合外力为0,摩擦力等于小车

11、重力沿斜面向下的分力。由于小摩擦力等于小车重力沿斜面向下的分力。由于小车的重力、支持力、摩擦力相互抵消车的重力、支持力、摩擦力相互抵消,那实验中小车受到的合外力就等于那实验中小车受到的合外力就等于绳子的拉力了。绳子的拉力了。(2)不挂托盘不挂托盘,使小车拖着纸带使小车拖着纸带,纸带通过打点计时器纸带通过打点计时器,并且使打点计时器处并且使打点计时器处于工作状态于工作状态,逐渐调节木板的倾角逐渐调节木板的倾角,给小车一个初速度给小车一个初速度,若打下的纸带上的若打下的纸带上的点间距均匀点间距均匀,则说明小车做匀速直线运动则说明小车做匀速直线运动,即平衡了摩擦力。即平衡了摩擦力。(3)绳子的拉力并

12、不等于钩码的重力绳子的拉力并不等于钩码的重力,因为当绳子拉力等于钩码重力时因为当绳子拉力等于钩码重力时,钩钩码做匀速直线运动或静止码做匀速直线运动或静止,而实验中钩码与小车一起做匀加速直线运动而实验中钩码与小车一起做匀加速直线运动,因此绳子的拉力应该小于钩码的重力。理论计算发现当钩码质量比小因此绳子的拉力应该小于钩码的重力。理论计算发现当钩码质量比小车质量小得多时车质量小得多时,绳子的拉力近似等于钩码的重力绳子的拉力近似等于钩码的重力,即小车受到的合外力即小车受到的合外力近似等于钩码的重力。近似等于钩码的重力。知识链接:为了保证小车受到细线的拉力等于小车的合力,实验前应先平衡摩擦力。主题主题4

13、:4:进行实验进行实验 实验结束后实验结束后, ,根据自己的实验方案得出实验数据后根据自己的实验方案得出实验数据后, ,请阅读教材中请阅读教材中“怎怎样由实验结果得出结论样由实验结果得出结论”标题下面的内容及其相关内容并讨论问题。标题下面的内容及其相关内容并讨论问题。 在探究在探究“加速度与力的关系加速度与力的关系”时时, ,若由实验结果画出的小车运动的若由实验结果画出的小车运动的a-F图线是一条并不过原点的直线图线是一条并不过原点的直线, ,说明实验中存在什么问题说明实验中存在什么问题? ?图线的斜率有何图线的斜率有何物理意义物理意义? ?解答解答:实验得出的实验得出的a-F图线不过原点有两

14、种情况图线不过原点有两种情况,如图甲、乙所示如图甲、乙所示,甲图可甲图可能是因为没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足即斜面倾角过小能是因为没有平衡摩擦力或平衡摩擦力不足即斜面倾角过小,乙图中是乙图中是因为平衡摩擦力过度即斜面倾角过大。图线的斜率表示小车质量的倒数。因为平衡摩擦力过度即斜面倾角过大。图线的斜率表示小车质量的倒数。知识链接:采用图象法处理实验数据较为直观简便。“化曲为直”更是高中物理常用的一种方法。甲甲 乙乙1.1.在研究物体的加速度、作用力和质量三个物理量的关系时在研究物体的加速度、作用力和质量三个物理量的关系时, ,我们用实我们用实验研究了小车验研究了小车“在质量一定的情况下在质量一

15、定的情况下, ,加速度和作用力之间的关系加速度和作用力之间的关系”; ;又研又研究了究了“在作用力一定的情况下在作用力一定的情况下, ,加速度和质量之间的关系加速度和质量之间的关系”。这种研究物。这种研究物理问题的科学方法是理问题的科学方法是( () )。 A. A.建立理想模型的方法建立理想模型的方法 B.B.控制变量法控制变量法 C. C.等效替代法等效替代法 D.D.类比法类比法 【解析解析】研究三个或三个以上物理量间的关系时通常采用控制变量法。研究三个或三个以上物理量间的关系时通常采用控制变量法。 【答案答案】B B 【点评点评】控制变量法是研究各物理量之间关系的一种常用方法。控制变量

16、法是研究各物理量之间关系的一种常用方法。2.2.在在“探究加速度与力、质量的关系探究加速度与力、质量的关系”的实验中的实验中, ,下列说法正确的是下列说法正确的是( () ) A. A.平衡摩擦力时平衡摩擦力时, ,小盘应用通过定滑轮的细线系在小车上小盘应用通过定滑轮的细线系在小车上, ,但小盘内不能但小盘内不能装砝码装砝码 B. B.实验中应始终保持小车和车内砝码的质量远远大于砝码和小盘的质量实验中应始终保持小车和车内砝码的质量远远大于砝码和小盘的质量 C. C.实验中如用纵坐标表示加速度实验中如用纵坐标表示加速度, ,用横坐标表示小车和车内砝码的总质用横坐标表示小车和车内砝码的总质量量,

17、,描出相应的点在一条直线上时描出相应的点在一条直线上时, ,即可证明加速度与质量成反比即可证明加速度与质量成反比 D. D.平衡摩擦力时平衡摩擦力时, ,小车后面的纸带必须连好小车后面的纸带必须连好, ,因为运动过程中纸带也要受因为运动过程中纸带也要受到阻力到阻力 【解析解析】平衡摩擦力时不需挂小盘平衡摩擦力时不需挂小盘, ,并且通过调节长木板倾角来平衡摩擦并且通过调节长木板倾角来平衡摩擦力力, ,故故A A错。要使小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力就必须满足选项错。要使小盘和砝码的总重力代替小车受到的拉力就必须满足选项B,B,故故B B正确。绘图时正确。绘图时, ,纵坐标表示加速度纵坐标表

18、示加速度, ,横坐标表示小车及车内砝码的总质量的横坐标表示小车及车内砝码的总质量的倒数倒数, ,描出相应的点在一条直线上时描出相应的点在一条直线上时, ,才可证明加速度与质量成反比才可证明加速度与质量成反比, ,故故C C错。错。纸带与打点计时器之间的摩擦力会带来误差纸带与打点计时器之间的摩擦力会带来误差, ,应尽可能减少应尽可能减少, ,故故D D项正确。项正确。 【答案答案】BDBD 【点评点评】小车运动过程中受到的阻力来源于纸带和斜面小车运动过程中受到的阻力来源于纸带和斜面, ,因此平衡摩擦力因此平衡摩擦力时小车后面应连好纸带。时小车后面应连好纸带。3.3.在在“探究加速度与力、质量的关

19、系探究加速度与力、质量的关系”实验中实验中, ,关于小车所受的合力关于小车所受的合力, ,下下列叙述中正确的是列叙述中正确的是( () )。 A. A.小车所受合力就是所挂吊盘和砝码的重力小车所受合力就是所挂吊盘和砝码的重力 B. B.小车所受合力的大小等于吊盘和砝码通过细绳对小车所施加的拉力小车所受合力的大小等于吊盘和砝码通过细绳对小车所施加的拉力 C. C.只有平衡摩擦力后只有平衡摩擦力后, ,小车所受合力才等于细绳对小车的拉力小车所受合力才等于细绳对小车的拉力 D. D.只有平衡摩擦力后只有平衡摩擦力后, ,且小车的质量且小车的质量M M远大于吊盘与砝码的总质量时远大于吊盘与砝码的总质量

20、时, ,才可以认为小车所受合力等于吊盘和砝码的重力才可以认为小车所受合力等于吊盘和砝码的重力 【解析解析】吊盘和砝码的重力不可以说成是小车所受的合力吊盘和砝码的重力不可以说成是小车所受的合力, ,故选项故选项A A错误错误。由于小车下滑时必受摩擦力作用。由于小车下滑时必受摩擦力作用, ,平衡摩擦力实际是小车重力的下滑分力平衡摩擦力实际是小车重力的下滑分力抵消摩擦力抵消摩擦力, ,此时小车所受合力等于细绳的拉力此时小车所受合力等于细绳的拉力, ,故选项故选项B B错误错误, ,选项选项C C正确。正确。因为吊盘与砝码拉动小车共同加速运动因为吊盘与砝码拉动小车共同加速运动, ,细绳对小车的拉力并不等于吊盘与细绳对小车的拉力并不等于吊盘与砝码的重力砝码的重力, ,只有当小车质量只有当小车质量M M远远大于吊盘与砝码的质量远远大于吊盘与砝码的质量m m时时, ,细绳中的拉力细绳中的拉力才可以近似等于吊盘与砝码的重力才可以近似等于吊盘与砝码的重力, ,故选