實驗探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系 教學(xué)設(shè)計 高中物理新人教版必修第一冊（2023~2024學(xué)年）

第2節(jié)實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系教學(xué)設(shè)計備課人學(xué)科物理課題4.2實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系教學(xué)內(nèi)容分析教科書引導(dǎo)學(xué)生從牛頓第一定律出發(fā)，提出探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的必要性，并從實驗思路設(shè)計、物理量的測量、實驗過程和數(shù)據(jù)分析幾個方面引導(dǎo)學(xué)生完成探究。實驗的基本思路對于學(xué)生來說并不困難，因此整個教學(xué)過程應(yīng)該更加重視讓學(xué)生體會探究的實質(zhì):鼓勵學(xué)生提出科學(xué)問題;設(shè)計更多的實驗方案(并不一定全都實施);引導(dǎo)學(xué)生解決實驗中遇到的問題;嘗試用多種方法處理數(shù)據(jù)，基于實驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論;以及培養(yǎng)學(xué)生對探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思的能力。學(xué)情分析學(xué)生對于如何求加速度的在必修一的第二章中已經(jīng)學(xué)習(xí)了諸如利用打點計時器和逐差法求加速度的方法、運動學(xué)的基本公式等必要的知識，因此對加速度的測量和求解是沒有太多知識上的困難的。同時，學(xué)生也具備了一定的實驗設(shè)計和探究能力。教學(xué)目標(biāo)1.能夠設(shè)計探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實驗方案。2.能夠完成實驗的操作和測量過程，以及通過控制變量法對數(shù)據(jù)進行圖像處理，體驗如何平衡摩擦力，減小系統(tǒng)誤差（鉤碼所受的重力不等于小車所受的拉力等）的操作方法。教學(xué)重難點1.怎樣測量物體的加速度；（重點）2.平衡摩擦力和測量物體所受的合外力；（重點）3.對平衡摩擦力方法的理解以及測量物體所受的合力的方法；（難點）4.指導(dǎo)學(xué)生選器材、設(shè)計方案、進行實驗、作出圖像、得出結(jié)論。（難點）教學(xué)過程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動學(xué)生活動設(shè)計意圖導(dǎo)入新課思考與討論：(1)由牛頓第一定律的學(xué)習(xí)，什么是改變物體運動狀態(tài)的原因？(2)由牛頓第一定律的學(xué)習(xí)，質(zhì)量的大小對物體狀態(tài)的改變是否有影響？(3)我們知道描述物體狀態(tài)改變的物理量是速度，那么速度變化的快慢我們通常用哪個物理量來描述？(4)加速度與力、質(zhì)量之間存在怎樣的定量關(guān)系呢？學(xué)生分組討論并回答問題復(fù)習(xí)牛頓第一定律通過問題設(shè)置，讓學(xué)生知道力、質(zhì)量、加速度直接有某種關(guān)聯(lián)講授新課一、實驗思路思考與討論：(1)當(dāng)我們要探究某個物理量與另外兩個或多個物理量之間的定量關(guān)系時，我們在探究過程中通常需要如何來做比較合理？(2)我們在探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系時，我們應(yīng)當(dāng)如何應(yīng)用控制變量法來進行實驗？(3)根據(jù)以上討論，你認(rèn)為實驗過程中我們需要測量哪些物理量呢？(4)為最終實現(xiàn)對加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的探究，你是否可以用以下實驗器材設(shè)計一個或幾個方案完成這一任務(wù)呢？二、物理量的測量（一）物理量的測量1.質(zhì)量的測量：用天平測量2.加速度的測量：方法一：如果物體做初速度為零的勻加速直線運動，則可利用刻度尺測量位移和秒表測量時間，然后由公式a=(2x)/t2可算出。方法二：利用打點計時器進行實驗，根據(jù)紙帶上打出的點可測量加速度。方法三：利用比值法。由于a=(2x)/t2測出兩個初速度為零的勻加速運動在相同時間內(nèi)發(fā)生的位移x1，x2，位移之比就是加速度之比思考與討論：(1)在此實驗中，通過測力計用手直接給小車施加一個恒力是否可行？(2)若不能用測力計直接給小車施加一個恒力，你認(rèn)為哪種方法更合適？(3)此種方法中，對于小車來說，受到幾個力的作用？如何消除沿板方向摩擦力的影響呢？3.力的測量：(1)平衡摩擦力：把軌道的一端墊高，使重力的分力Gsinθ與摩擦力Ff平衡。(2)具體操作：先不加細(xì)線，軌道無定滑輪一端墊高，使小車連同紙帶下滑，若紙帶上打出點間隔相等，則為勻速下滑，從而消除摩擦力的影響。(3)注意事項：①多次測量，摩擦力只需要平衡一次摩擦；②在槽碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量時，繩的拉力大小等于槽碼重力大小。（學(xué)習(xí)了第三節(jié)后解釋）（二）實驗方案1.方案一：用阻力補償法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系實驗裝置如圖4.2-2所示。把木板的一側(cè)墊高，調(diào)節(jié)木板的傾斜度，使小車在不受牽引時能拖動紙帶沿木板勻速運動。通過改變槽碼的個數(shù)而改變小車所受的拉力，通過處理打點計時器打下點的紙帶來測量加速度。保持小車受的拉力不變，通過增減小車中的重物改變小車的質(zhì)量。處理紙帶上打出的點來測量加速度。2.方案二：通過位移之比測量加速度之比將兩輛相同的小車放在水平木板上，前端各系一條細(xì)線，線的另一端跨過定滑輪各掛一個小盤，盤中可以放不同的重物。平衡摩擦后，用黑板擦把兩條細(xì)線同時按壓在木板上。抬起黑板擦，兩小車同時開始運動，按下黑板擦，兩小車同時停下來。用刻度尺測出兩小車移動的位移x1、x2。由于兩小車運動時間t相同，從它們的位移之比就可以得出加速度之比。在盤中重物相同的情況下，通過增減小車中的重物改變小車的質(zhì)量。三、進行實驗與數(shù)據(jù)分析（一）用阻力補償法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系1.實驗步驟：(1)用天平測出小車的質(zhì)量為M0，并把數(shù)值記錄下來。(2)平衡摩擦力后，按圖將實驗器材安裝好。(3)將槽碼通過細(xì)繩系在小車上，接通電源放開小車，用紙帶記錄小車的運動情況；取下紙帶并在紙帶上標(biāo)上號碼及此時所掛槽碼的重力m0g。(4)保持小車的質(zhì)量不變，改變所掛槽碼的重力，重復(fù)步驟(3)，多做幾次實驗，每次小車從同一位置釋放，并記錄好槽碼的重力m1g、m2g、…以及計算出相應(yīng)紙帶的加速度填入表格1。表格1(物體的質(zhì)量一定，加速度與受力的關(guān)系)實驗次數(shù)加速度a/(m·s-2)小車受力F/N12345(5)保持槽碼的質(zhì)量不變，在小車上加放砝碼，并測出小車與所放砝碼的總質(zhì)量M，接通電源，放開小車，用紙帶記錄小車的運動情況，取下紙帶并在紙帶上標(biāo)上號碼。(6)繼續(xù)在小車上加放砝碼，重復(fù)步驟(5)，多做幾次實驗，在每次得到的紙帶上標(biāo)上號碼。(7)計算出每次實驗所得紙帶的加速度值及小車與砝碼的總質(zhì)量填入表格2。表格2(物體受到的外力一定，加速度與質(zhì)量的關(guān)系)實驗次數(shù)加速度a/(m·s-2)小車與砝碼總質(zhì)量M/kg小車與砝碼總質(zhì)量的倒數(shù)1/M(/kg-1)123452.數(shù)據(jù)分析：(1)a－F圖像（請同學(xué)們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪制）(2)a－M圖像（請同學(xué)們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪制）(3)a－1/M圖像（請同學(xué)們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪制）【實驗演示】（二）通過位移之比法探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系1.實驗步驟：(1)用天平測出小車和托盤的質(zhì)量，并把數(shù)值記錄下來。(2)平衡摩擦力后，按圖將實驗器材安裝好。(3)保持兩小車的質(zhì)量相同且不變，改變兩個所掛托盤中砝碼的數(shù)量，多做幾次實驗，記錄好兩個托盤和砝碼的重力作為兩小車的拉力F，以及用刻度尺測量出每次兩個小車發(fā)生的位移x，填入表格3。表格3(物體的質(zhì)量一定，加速度與受力的關(guān)系)次數(shù)小車?yán)/NF1/F2位移x/mx1/x21甲乙2甲乙3甲乙(4)保持兩小車所掛兩個托盤和其中砝碼的質(zhì)量相同且保持不變，改變兩小車中砝碼質(zhì)量，多做幾次實驗，記錄小車和所加砝碼的質(zhì)量M，以及用刻度尺測量出每次兩個小車發(fā)生的位移x，填入表格4。表格4(物體受到的外力一定，加速度與質(zhì)量的關(guān)系)次數(shù)小車質(zhì)量M/kgM1/M2位移x/mx1/x21甲乙2甲乙3甲乙2.數(shù)據(jù)分析：(1)x1/x2-F1/F2圖像（請同學(xué)們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪制）(2)x1/x2-M2/M1圖像（請同學(xué)們根據(jù)測得數(shù)據(jù)在坐標(biāo)紙上繪制）【實驗演示】四、實驗結(jié)論與誤差分析（一）實驗結(jié)論1.保持物體質(zhì)量不變時，物體的加速度a與所受合外力F成正比。2.在力F不變時，物體的加速度a與質(zhì)量M成反比。（二）誤差分析1.在實驗中，我們認(rèn)為槽碼的重力就等于小車所受的合力。但這是有誤差的，只有在小車質(zhì)量比較大，槽碼質(zhì)量比較小且長木板合理傾斜的情況下，實驗結(jié)果才比較理想。2.質(zhì)量測量、長度測量中也存在偶然誤差，可通過多次測量取平均值的方法來減小誤差。3.阻力補償不準(zhǔn)而造成誤差。4.描點作圖時存在誤差。五、課堂練習(xí)學(xué)生分組討論學(xué)生分組設(shè)計實驗方案學(xué)生識記記錄方法學(xué)生分組討論并回答問題學(xué)生識記記錄學(xué)生根據(jù)小組討論結(jié)果，寫出實驗方案學(xué)生分組實驗學(xué)生記錄實驗數(shù)據(jù)學(xué)生記錄實驗數(shù)據(jù)學(xué)生作圖進行數(shù)據(jù)分析學(xué)生觀看視頻學(xué)生分組實驗學(xué)生記錄實驗數(shù)據(jù)學(xué)生記錄實驗數(shù)據(jù)學(xué)生作圖進行數(shù)據(jù)分析學(xué)生觀看視頻學(xué)生識記記錄學(xué)生識記記錄學(xué)生練習(xí)明確控制變量法何種情況用明確如何用控制變量法培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和設(shè)計實驗的能力讓學(xué)生明確需要測哪些物理量以及如何測的問題引導(dǎo)學(xué)生思考如何提供恒定拉力引導(dǎo)學(xué)生思考為什么要消除摩擦力的影響明確平衡摩擦力的方法讓學(xué)生明確實驗方案的實驗原理培養(yǎng)學(xué)生實驗動手能力培養(yǎng)學(xué)生實驗動手能力培養(yǎng)學(xué)生實驗動手能力培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)處理的能力規(guī)范實驗操作培養(yǎng)學(xué)生實驗動手能力培養(yǎng)學(xué)生實驗動手能力培養(yǎng)學(xué)生實驗動手能力培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)的能力規(guī)范實驗操作明確加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系，達(dá)到實驗的目的讓學(xué)生明確產(chǎn)生誤差的原因和減小誤差的方法鞏固提高課堂總結(jié)板書設(shè)計§4.2實驗：探究加