高一物理上册必修1《实验：探究加速度与力、质量的关系》教案
教学准备
教学目标
知识与技能
1.理解物体运动状态的变化快慢，即加速度大小与力有关，也与质量有关.
2.通过实验探究加速度与力和质量的定量关系.
3.培养学生动手操作能力.
过程与方法
1.指导学生半定量的探究加速度和力、物体质量的关系，知道用控制变量法进行实验.
2.学生自己设计实验，自己根据自己的实验设计进行实验.
3.对实验数据进行处理，看一下实验结果能验证什么问题，
情感态度与价值观
1.通过探究实验，培养实事求是、尊重客观规律的科学态度.
2.通过实验探究激发学生的求知欲和创新精神.
3.培养与人合作的团队精神.
教学重难点
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.实验数据的分析与处理.
教学难点
1.如何提出实验方案并使实验方案合理可行.
2.实验数据的分析与处理.
教学过程
[复习巩固]见课件
[新课导入]
利用多媒体投影图4—2—1;
分组定性讨论
组I：物体质量一定，力不同，物体加速度有什么不同?
组2：力大小相同，作用在不同质量的物体上，物体加速度有什么不同?
师：请组1的代表回答一下你们讨论的结果.
组1生：当物体质量一定时，物体的加速度应该随着力的增大而增大.
师：请组2的代表回答你们组讨论的问题，
组2生：当力大小相同时，物体质量越大，运动状态越难以改变，所以质量越大，加速度越小.
师：物体运动状态改变快慢取决于哪些因素?定性关系如何?
生l：应该与物体的质量和物体所受的力有关系.力越大，加速度越大;质量越大，加速度越小.
生2：这里指的力应该是物体所受的合力，以上图为例，物体所受的重力和支持力相等，不参与加速度的提供.
师：刚才进行多媒体演示时一次是固定力不变，一次是固定质量不变，这样做有什么好处呢?
生：方便我们的研究.
师：这是研究多个变量之间关系的非常好的方法，我们把它称作控制变量法.我们以前在什么地方学到过这种方法?
生1：在初中我们在探究物体的密度与质量、体积之间的关系时
生2：在研究电流与电压、电阻的关系时.
师：好，我们这节课就用这种方法进行探究加速度和力、质量之间的关系.
[新课教学]
一、加速度与力的关系
师：设计一个实验，保持物体的质量不变，测量物体在各个不同的力的作用下的加速度，分析加速度与力的关系.大家分组讨论并且每组设计一个实验方案，并说明实验的原理.
分组讨论
组l生1：我们是根据课本上的参考案例设计实验的(在投影仪上展示实验装置如图4—2—2).
组1生2：我们设计实验的实验原理如下;因o为两个小车的初速度都为零，拉力大小不同，但对每个小车来说保持不变，所以小车应该做匀加速直线运动.根据初速度为零的匀加速直线运动的位移公式x=at2/2可知，加速度和位移成正比，只要测量位移就可以得到加速度与受力之间的关系，力的大小可以根据盘中的砝码求出来.
师：下面请组2的代表发言.
组2生1：我们设计的方法和组1的差不多，我们是用了一辆小车，小车后面连接一纸带，用打点计时器记录小车的运动情况，根据所打的点计算小车的加速度，然后再看所受的力和加速度的关系.
组2生2：为了消除摩擦力的影响，我们在木板下面垫了一个小木块，当小车没有拉力时让它在木板上匀速运动.
师：这个同学的想法很好，这样小车受到的绳子的拉力就等于小车受到的合力，下面请组3的同学代表发言.
组3生1：前面两组的同学设计实验时都是物体的初速度为零，我们可以利用气垫导轨设计一个更为一般的方法，让导轨倾斜不同的角度，滑块所受的力就是重力的分力，让滑块滑过轨道中间的两个光电门，记录经过光电门的速度和两个光电门的距离，根据公式x=(v2-v02)/2a可以求出加速度的大小，从而可以得到加速度和力的关系.
师：好的，在进行实验之前还应该先设计自己的实验表格来记录一下自己的实验数据.那么你是怎样设计表格使你的实验数据得以记录的呢?
生1：水平面长木板与小车，车后用绳控制小车运动，两车质量相同.表格设计如下：
参考表格
小车l 小车2
次数 拉车砝码(s) 位移x1/cm 拉车砝码(s) 位移x2/cm
1
2
3
4
5
生2：用一辆小车，测量加速度
次数 拉车砝码(g) 加速度a1 拉车砝码(e) 加速度a2
1
2
3
4
5
师：好，现在大家就根据自己设计的方案进行实验，把数据填人设计的表格内.
学生进行实验，老师巡回指导，帮助实力较弱的小组完成实验
师：现在请各小组简要进行一下实验报告.
组1生1：我们根据课本上的参考案例进行了实验，因为已知小车的加速度和位移成正比，通过验证位移和受力之间的关系，即可得出加速度和受力的关系.
师：实验数据是怎样进行处理的呢?
组1生2：我用的是位移和对应力的比值.
组1生3：通过我们的讨论，我们发现用作图的方法能更好地表示位移(即加速度)和力的关系.关系图表如图4—2—3所示;可得在研究物体质量不变的情况下，物体的加速度与物体所受的外力成正比.
组2生：我们通过处理小车后面的纸带，计算出小车的加速度，通过作图验证了小车的加速度和物体所受的合力成正比.组3生：我们用气垫导轨作出的加速度和所受力的关系图象，实验结论是图象非常接近一条过原点的直线.
师：大家做得都非常好，那么你们在实验中遇到的困难是什么呢?能不能想出办法来克服?
组1生：当拉小车的砝码的质量较大时，绳子容易打滑，从而影响了位移的测量.我们用松香涂抹在绳子上，效果不错.
组2生：我们在做实验时发现了这样一个问题，即当砝码的质量和小车的质量差不多时，a—F图象不能再是一条直线，而是发生了弯曲.
师：这组同学的问题非常好，实际上砝码和盘的重力并不严格等于小车受到的拉力，简单证明如下：设砝码及盘的质量为m，小车的质量为M，则分别对它们进行受力分析，对小车，受拉力和摩擦力，对砝码和盘，受重力和拉力，那么它们之间的关系是什么呢?如果相等，根据物体受合力为零则物体做匀速运动，而实际上砝码及盘实际的运动应该是做加速运动，所以说重力和拉力并不相等，而是应该重力大于拉力，而我们在实验中认为二者相等，所以实验的误差有一部分来源于此.控制的方法就是尽可能地使砝码和盘的质量远小于小车及砝码的质量，具体的分析方法我们将在下一节学到.
组3生：虽然用气垫导轨做实验结果比较精确，但实验数据处理比较复杂.
师：我们可以用计算机进行数据处理，使数据处理变得简单化，大家在课下讨论一下看如何用数据处理软件处理实验中得到的数据.
师：以上我们是通过控制物体的质量不变来探究物体的加速度与物体所受力之间的关系，下面同学们继续做实验，通过控制物体所受的力不变来探究物体的加速度和质量的关系.
二、加速度与质量的关系
学生进行实验，老师巡回指导，帮助实力较弱的小组实现实验
由于和以上的实验方法非常类似，所以可以直接让学生得出结论.
师：大家得出的结论是什么?
生：物体加速度在物体受力不变时，和物体的质量成反比.
师：这时候我们应该怎样通过图象来验证问题呢?
生：我们如果作a—M图象则图象是曲线，我们可以作a—1/M图象来解决这个问题，物体的加速度和质量成反比，所以a—1/M图象应该是一条过原点的直线.
三、由实验结果得出的结论
师：通过大家的实验，排除误差的影响，大家讨论总结一下加速度和物体所受的力以及物体质量之间的关系.
[分组讨论]
生1：我们可以得出这样的结论：物体的加速度和物体所受的力成正比，和物体的质量成反比.
生2：应该是和物体所受的合力成正比.
生3：我想力是矢量，加速度也是矢量，加速度的方向应该和物体所受力的方向相同.
师：(总结)大家的发言非常好，那么我们得出的结论是不是一个定理性的结论呢?仅靠少量的实验是不行的，应该通过更为精确的实验和更多次的实验进行证明，不过我们大家在现有水平下能够得出这个结论是非常了不起的，这是我们下节课要学的牛顿第二定律的内容.
[课堂训练]
在水平路面上，一个大人推一辆重车，一个小孩推一辆轻车，各自做匀加速运动(阻力不计).甲、乙两同学在一起议论，甲同学说：大人推力大，小孩推力小，因此重车的加速度大.乙同学说，重车质量大，轻车质量小，因此轻车的加速度大.你认为他们的说法是否正确?请简述理由.
答：甲、乙两同学的结论和理由都不全面和充分，物体的加速度决定于物体所受的合外力和物体的质量.大人的推力虽然大，但车的质量也大，因此重车的加速度也不一定就大.小车的质量小，但是小孩的推力也小，因而轻车的加速度也不一定大.判断谁的加速度大，必须看各自的质量和合外力.
课后小结
本节我们学习了：
1.力是物体产生加速度的原因.
2.用控制变量法探究物体的加速度与合外力、质量的关系;设计实验的方法.
3.物体的质量一定时，合外力越大，物体的加速度也越大;合外力一定时，物体的质量越大，其加速度越小，且合外力的方向与加速度的方向始终一致.
4.实验数据的处理方法.
课后习题
1.完成实验报告.
2.设计一种方案，测量自行车启动时的平均加速度
板书
与加速度有关的因素
1.物体受的合外力 2.物体的质量
实验方法 ：控制变量法
实验过程与结论：物体的质量一定时，合外力越大，物体的加速度也越大 合外力一定时，物体的质量越大，其加速度越小
高一物理上册必修1《实验：探究加速度与力、质量的关系》教案
教学准备
教学目标
知识与技能
1.理解物体运动状态的变化快慢，即加速度大小与力有关，也与质量有关.
2.通过实验探究加速度与力和质量的定量关系.
3.培养学生动手操作能力.
过程与方法
1.指导学生半定量的探究加速度和力、物体质量的关系，知道用控制变量法进行实验.
2.学生自己设计实验，自己根据自己的实验设计进行实验.
3.对实验数据进行处理，看一下实验结果能验证什么问题，
情感态度与价值观
1.通过探究实验，培养实事求是、尊重客观规律的科学态度.
2.通过实验探究激发学生的求知欲和创新精神.
3.培养与人合作的团队精神.
教学重难点
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.实验数据的分析与处理
教学难点
1.如何提出实验方案并使实验方案合理可行.
2.实验数据的分析与处理.
教学工具
多媒体、板书
教学过程
一、实验目的
学会用控制变量法探究物理规律.全面正确地认识加速度与力、质量的关系.
二、实验原理
1.加速度是表示物体运动速度变化快慢的物理量.根据事实经验，加速度与物体的质量有关.物体受力一定时，质量越小，加速度就越大.加速度还与物体受力的大小有关，物体质量一定时，受力越大，其加速度越大.
2.控制变量法：加速度a和质量m、受力F都有关系.研究它们之间的关系时，先保持质量不变，测量物体在不同力的作用下的加速度，分析加速度与力的关系;再保持物体所受的力相同，测量不同质量的物体在该力作用下的加速度，分析加速度与质量的关系.这种先控制一个参量不变，研究其余参量之间变化关系，再控制另一个参量不变，研究其余参量之间变化关系的方法叫控制变量法.
三、实验器材
砝码，一端有定滑轮的长木板，细线，纸带，导线，夹子，小盘，天平，小车，打点计时器，交流电源，复写纸，刻度尺.
四、实验步骤
1.用天平测出小车和重物的质量分别为M0、m0，并把数值记录下来.
2.按图将实验器材安装好(小车上不系绳).
3.平衡摩擦力，在木板无滑轮的一端下面垫一薄木板，反复移动其位置，直到打点计时器正常工作后不挂重物的小车在斜面上做匀速直线运动为止(纸带上相邻点间距相等).
4.将重物通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，用纸带记录小车的运动情况;取下纸带并在纸带上标上号码及此时所挂重物的重力m0g.
5.保持小车的质量不变，改变所挂重物的重力，重复步骤4，多做几次实验，每次小车从同一位置释放，并记录好重物的重力m1g、m2g…以及计算出相应纸带的加速度填入表格1.
表格1 物体的质量一定，加速度与受力的关系
6.保持托盘中所放重物的质量不变，在小车上加放砝码，并测出小车与所放砝码的总质量M，接通电源，放开小车，用纸带记录小车的运动情况，取下纸带并在纸带上标上号码.
7.继续在小车上加放砝码，重复步骤6，多做几次实验，在每次得到的纸带上标上号码.
8.计算出每次实验所得纸带的加速度值及小车与砝码的总质量填入表格2.
表格2 物体受到的外力一定，加速度与质量的关系
五、数据处理
1.分析加速度和力的关系
依据表格1，以加速度a为纵坐标，以外力F为横坐标，作出a-F关系图象，如图所示，由此得出结论.
3.实验结论：物体的加速度与作用在物体上的合外力成正比，与物体的质量成反比.
六、误差分析
1.因实验原理不完善造成系统误差
本实验中用所挂重物的重力代替小车受到的拉力，实际上小车受到的拉力要小于所挂重物的重力，存在系统误差.所挂重物的质量比小车的质量越小，误差越小;反之误差越大.
2.因操作不够准确造成的偶然误差
(1)质量的测量误差.
(2)测量纸带上各点间的距离的误差(读数误差).
(3)绳或纸带与木板不平行造成的误差.
(4)平衡摩擦力不准确造成的误差.平衡过度使小车合外力偏大，平衡不够使小车的合外力偏小，此时要注意匀速运动是恰好平衡摩擦力的标志.
七、注意事项
1.平衡摩擦力时不要挂重物.整个实验平衡了摩擦力后，不管以后是改变盘和砝码的质量，还是改变小车及砝码的质量，都不需要重新平衡摩擦力.
2.实验中必须满足小车和砝码的总质量远大于小盘和砝码的总质量.只有如此，砝码和小盘的总重力才可视为与小车受到的拉力相等.
3.各纸带上的加速度a，都应是该纸带上的平均加速度.
4.作图象时，要使尽可能多的点在所作直线上，不在直线上的点应尽可能对称分布在所作直线两侧.离直线较远的点是错误数据，可舍去不予考虑.
5.释放时小车应靠近打点计时器且先接通电源再放开小车.
实验探究一：实验过程的理解
例：如图所示是某同学探究加速度与力、质量的关系时，已接通电源正要释放纸带时的情况，请你指出该同学的五个差错;
(1)电源________;
(2)电磁打点计时器位置________;
(3)滑轮位置________;
(4)小车位置________;
(5)长木板__________________.
【解析】 探究加速度与力、质量的关系时，电磁打点计时器应使用低压(6 V)交流电源，且要固定在长木板无滑轮的一端，即应靠右端;释放纸带时小车应靠近打点计时器;连接小车的细线应保持水平，故应调节滑轮位置使拉线水平;实验时应平衡摩擦力，使小车所受重力沿斜面方向的分力与小车所受摩擦力平衡，故应垫高长木板右端平衡摩擦力.
【答案】
(1)应用6 V交流电源
(2)应靠右端
(3)应使拉线水平
(4)应靠近打点计时器
(5)应垫高右端平衡摩擦力
实验探究二、实验数据的处理
例：某实验小组利用如图所示的实验装置来探究当合外力一定时，物体运动的加速度与其质量之间的关系.
(1)由刻度尺读出两个光电门中心之间的距离x，已知遮光条的宽度为d.该实验小组在做实验时，将滑块从图中所示位置由静止释放，由数字计时器可以读出遮光条通过光电门1的时间Δt1和通过光电门2的时间Δt2，则滑块经过光电门1时的瞬时速度的表达式v1=________，滑块经过光电门2时的瞬时速度的表达式v2=________，则滑块的加速度的表达式a=_______________.(均用上述字母表示)
(2)在本次实验中，实验小组通过改变滑块的质量总共做了6组实验，得到如表所示的实验数据.通过分析表中数据后.你得出的结论是_____________________________________.
(3)现需通过图象进一步验证你的结论，请利用表格数据，在如图所示坐标系中描点作出相应图象.
(2)当合外力一定时，在误差允许的范围内，物体的质量和加速度的乘积近似相等，所以在合外力不变的情况下，物体运动的加速度跟物体的质量成反比.
(3)统一国际单位，作图象，在误差允许的范围内图线是一条过原点的直线，如图所示.
(2)在合外力不变的情况下，物体运动的加速度跟物体的质量成反比
(3)见解析
课后小结
一、实验原理
二、实验器材
三、实验步骤
四、实验数据处理
五、误差分析
六、实验注意事项
七、实验方案探究
板书