必修一 4.2实验：探究加速度与力、质量的关系

实验：探究加速度与力、质量的关系（7大题型）

知识点 1 实验思路

1、探究方法——控制变量法

（1）保持研究对象即小车的质量不变，改变槽码的质量，即改变作用力，测出小车对应的加速度，验证加

速度是否与作用力成正比。

（2）保持槽码的质量不变，即保持作用力不变，在小车上增减砝码可改变小车的质量，测出小车对应的加

速度，验证加速度是否与质量成反比。2、基本思路

（1）探究加速度与力的关系：测量质量m一定的物体在不同的力F作用下的加速度a，分析a与F的关系。

（2）探究加速度与质量的关系：测量质量m不同的物体在同一力F作用下的加速度a，分析a与m的关系。3、实验器材

打点计时器、纸带、小车、一端附有定滑轮的长木板、槽码、细绳低压交流电源、导线、天平、刻度

尺等。4、物理量的测量

（1）质量：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

方法一：对于初速度为零的匀加速直线运动，可以测量出位移x和时间t，然后由22xat 算出加速度。

方法二：用打点的纸带求加速度。用打点计时器打出纸带，通过对纸带上点的分析，由2xaT可求出加速度a。

方法三：在这个实验中也可以不测量加速度的具体数值。这是因为我们探究的是加速度与其他物理量之间

的比例关系，因此测量不同情况下物体加速度的比值即可。

如果能做到让两个做初速度为0的匀加速直线运动的物体的运动时间t相等，那么由22xat可知， 它们的位移之比就等于加速度之比，即1122xaxa 。这样，测量加速度就转换成测量位移了。

（3）合外力：用悬挂槽码的方法为小车提供拉力，把木板的一端垫高，以补偿打点计时器对小车的阻力及

其他阻力。测出槽码的总重力，它近似等于小车运动时所受的拉力。

知识点 2 实验过程

实验步骤1、用天平测出小车的质量，记录数据。

2、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，使小车在不挂槽码的情况下，能

拖动纸带沿木板做匀速直线运动（带上相邻点间距相等）。3、探究加速度与力的关系：

4.2 实验:探究加速度与力、质量的关系

〖详细教材分析〗

牛顿第一定律告诉我们力是产生加速度的原因。而运动状态的改变难易又与其自身的质量有关,因此本节探究加速度与力、质量的关系。由于是探究他们的比例关系,在数据处理这里学生会存在很大的困难,所以教师要充分的讲解数据处理的一般原则。实验操作上,使用打点计数器还是比较简单的,就是测量他所受的合力上会有些不理解,平时都是在书本上进行受力分析求合力,现在是真正的实物,所以教师要做好充分的演示讲解和平衡摩擦力等。

〖教学目标与核心素养〗

物理观念: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。

科学思维: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。

科学探究:体通过探究实验,培养实事求是、尊重客观规律的科学态度。

科学态度与责任:通过探究激发学生的求知欲和创新精神。

〖教学重点与难点〗

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。

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。 〖教学方法〗

教师启发引导与探究法相结合,并辅以问题法、演示法、归纳法等。

〖教学准备〗

小车、打点计时器、电源、纸带、复写纸、一端带有滑轮的长木板、砝码盘、托盘天平、砝码、架子、刻度尺、多媒体课件等。

〖教学过程〗

一、新课引入 由牛顿第一定律,我们知道力是产生加速度的原因,惯性只与质量有关,质量越大惯性越难改变。这分别是加速度与力的关系和加速度与质量的关系。

这说明,加速度与力、质量之间必然存在一定的关系。下面我们来探究加速度与力、质量之间的定量关系。

教学设计说明:直接应用课本的问题情景导入,有图有真相。

二、新课教学

（一）实验思路

问题提出

1、你认为应该如何完成这个探究实验?

2、比如,研究什么物体?

3、如何测量该物体受到的力?

2．实验：探究加速度与力、质量的关系

知识纲要导引

核心素养目标

(1)学会用控制变量法探究物理规律．

(2)掌握利用图象处理数据的方法．

(3)探究加速度与力、质量的关系．

(4)能解释生活中的相关现象.

知识点 控制变量法探究加速度a与力F、质量m的关系

1．实验原理：

2．实验器材：打点计时器、纸带、复写纸、小车、一端附有定滑轮的长木板、夹子、细绳、低压交流电源(使用电火花打点计时器时不用低压交流电源)、导线、天平(带有一套砝码)、小盘、刻度尺．

控制变量法

当研究对象有两个以上的参量发生牵连变化时，我们设法控制某些参量使之不变，而研究其中两个参量之间的变化关系的方法叫控制变量法．

3．实验步骤：

(1)称量质量：用天平测出小车和砝码的总质量m，小盘和砝码的总质量M.

(2)安装器材：按照如图把实验器材安装好，注意此时先不要把悬挂小盘的细绳系在车上，即不给小车加牵引力．

(3)平衡摩擦力：在长木板不带定滑轮的一端下面垫一块木块，反复移动木块的位置，直至小车在斜面上运动时可以保持匀速直线运动状态．这时，小车拖着纸带运动时受到的摩擦阻力恰好与小车所受的重力在斜面方向上的分力平衡．

(4)操作：

①把细绳系在小车上并绕过滑轮悬挂小盘，先接通电源再放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，打完点后切断电源，取下纸带，在纸带上标上纸带号码．

②保持小车和砝码的质量m不变，在小盘里放入适量的砝码，把小盘和砝码的总质量M记录下来，重复步骤①.

③保持小盘和砝码的总质量M不变，改变小车和砝码的质量m，重复以上步骤．

待测物理量 器材

小车与其上砝码的总质量m 天平

小盘和盘内砝码的总质量M 天平

小车的加速度a 打点计

时器

4.数据处理：

(1)把小车在不同力作用下产生的加速度填在表中：

实验序号物理量 1 2 3 4 5 6

作用力F

加速度a

以a为纵坐标、F为横坐标，根据数据作a - F图象，用曲线拟合测量点，找出规律，分析a与F的关系．

实验：探究加速度与力、质量的关系

知识集结

知识元

实验：探究加速度与力、质量的关系

知识讲解

实验：探究加速度与力、质量的关系

1．实验目的、原理

实验目的：验证牛顿第二定律，即物体的质量一定时，加速度与作用力成正比；作用力一定时，加速度与质量成反比．

实验原理：利用砂及砂桶通过细线牵引小车做加速运动的方法，采用控制变量法研究上述两组关系．

如图所示，通过适当的调节，使小车所受的阻力忽略，当M和m做加速运动时，可以得到

当M>>m时，可近似认为小车所受的拉力T等于mg．

本实验第一部分保持小车的质量不变，改变m的大小，测出相应的a，验证a与F的关系；第

二部分保持m不变，改变M的大小，测出小车运动的加速度a，验证a与M的关系．

2．实验器材

打点计时器，纸带及复写纸，小车，一端附有滑轮的长木板，小桶，细绳，砂，低压交流电源，两根导线，天平，刻度尺，砝码．

3．实验步骤及器材

（1）用天平测出小车和小桶的质量M和m，把数值记录下来．

（2）按下图所示把实验器材安装好．

（3）平衡摩擦力：在长木板的不带滑轮的一端下面垫上一块薄木板，反复移动其位置，直至不挂砂桶的小车刚好在斜面上保持匀速运动为止．

（4）将砂桶通过细绳系在小车上，接通电源放开小车，使小车运动，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．

（5）保持小车的质量不变，改变砂桶中的砂量重复步骤（4），每次记录必须在相应的纸带上做上标记，列表格将记录的数据填写在表内．

（6）建立坐标系，用纵坐标表示加速度，横坐标表示力，在坐标系上描点，画出相应的图线以验证a与F的关系．

（7）保持砂及小桶的质量不变，改变小车的质量(在小车上增减砝码)，重复上述步骤（5）、（6）验证a与M的关系．

4．数据处理及误差分析

（1）该实验原理中，可见要在每次实验中均要求M>>m，只有这样，才能使牵

引小车的牵引力近似等于砂及砂桶的重力．