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实验：探究加速度与力、质量的关系
人教版高中物理
必修1
新知导入
知识回顾
1、牛顿第一定律的内容是什么？
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他改变这种状态。
2、惯性与质量的关系是什么？
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
新知导入
新知讲解
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x
2
不变，研究y与另一个变量x
1
之间的定量关系；然后再固定变量x
1
不变，研究y与x2
之间的关系。
一、实验：探究加速度与力、质量的关系
新知讲解
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。
新知讲解
（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。
探究加速度与力、质量的关系
新知讲解
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。
新知讲解
（2）加速度的测量
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。
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，
计算出加速度a。
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
可知，它们的位移之比就等于加速度之比，即：
新知讲解
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。
新知讲解
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。
电源插头
纸带
新知讲解
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。
新知讲解
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。
新知讲解
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。
新知讲解
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
0.15
0.31
0.43
0.59
0.76
拉力F
加速度a
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。
新知讲解
F/N
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。
新知讲解
表2：小车所受的拉力一定
加速度
a
质量
m
质量
0.400
0.500
0.750
1.000
1.200
0.861
0.692
0.470
0.352
0.290
2.50
2.00
1.33
1.00
0.83
新知讲解
a/m·s
-2
m
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
成正比。
新知讲解
如图的图线为过原点的直线，所以在相同拉力作用下a与
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。
新知讲解
新知讲解
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。
新知讲解
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。
新知讲解
控制
m
不变，探究
a
与
F
的关系
（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。
新知讲解
（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
与
关系图象，并由图象确定它们的关系。
x2
/x1
F2
/
F1
新知讲解
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
小车质量一定
新知讲解
x2
/x1
F2
/
F1
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；
新知讲解
同理通过实验也可得出：在相同拉力作用下a与
成正比,即：a
与
m
成反比。
新知讲解
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——————————————————————。
A、B、D、F、G、H、I、J
放在气垫导轨上的滑块
研究a与F的关系(m一定)
研究a与m的关系(F一定)
课堂练习
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
小车
打点计时器
纸带
D
课堂练习
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
。
C
课堂练习
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
B
拓展提高
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。
盘和砝码
纸带
打点计时器
小车
B
拓展提高
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。
C
课堂总结
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。
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。
板书设计
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。
作业布置
课后练习和同步练习
谢谢
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人教版高中物理必修1教学设计
课题
实验：探究加速度与力、质量的关系
单元
4
学科
物理
年级
高一
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。
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
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他改变这种状态。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：
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x
2
不变，研究y与另一个变量x
1
之间的定量关系；然后再固定变量x
1
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拉力F0.100.200.300.400.50加速度a0.150.310.430.590.76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
m0.4000.5000.7501.0001.200加速度
a0.8610.6920.4700.3520.290质量2.502.001.331.000.83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/Nx1/cmF2/Nx2/cmF1/F2x1/x219.0028.8014.0045.000.640.6429.0023.2019.0050.500.470.46314.0029.9024.0052.200.580.57414.0023.4029.0051.200.480.46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：D3、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：C4、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：
B1、“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：B2、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
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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精品试卷·第
2
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（共
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