實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系教學(xué)設(shè)計(jì)高中物理組：潘永紅【教學(xué)目標(biāo)】一、 知識與技能1 理解物體運(yùn)動狀態(tài)的變化快慢即加速度大小與力有關(guān)，與質(zhì)量也有關(guān)。2 通過實(shí)驗(yàn)探究加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系。3 培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力。二、 過程與方法1 指導(dǎo)學(xué)生半定量地探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系，知道用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。2 引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3 對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并能根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果得出結(jié)論。三、 情感、態(tài)度、價值觀1 通過實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)實(shí)事求是、尊重客觀規(guī)律的科學(xué)態(tài)度。2 通過探究激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新精神。3 培養(yǎng)與人合作的團(tuán)隊(duì)精神?！窘虒W(xué)重點(diǎn)】1 控制變量法的使用。2 如何提出實(shí)驗(yàn)方案，并使實(shí)驗(yàn)方案合理可行。3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】1在老師引導(dǎo)下提出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案。2實(shí)驗(yàn)的操作過程?！窘虒W(xué)用具】小車，一端帶有滑輪的長木板，鉤碼1盒（每盒10個），配重碼兩個，鐵夾，線繩若干?！窘虒W(xué)過程】一、導(dǎo)入：師：牛頓第一定律定性地描述了物體的運(yùn)動和力的關(guān)系，物體的運(yùn)動不需要力來維持，力是使物體運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變的原因。當(dāng)物體受到的合外力不為0時，將使物體的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變。而物體運(yùn)動狀態(tài)（也就是運(yùn)動速度）發(fā)生改變時，物體具有加速度，所以說物體受到的合外力不為0是物體產(chǎn)生加速度的原因，即力是物體產(chǎn)生加速度的原因。師：上節(jié)課的學(xué)習(xí)中我們還了解到：質(zhì)量是物體慣性的量度，質(zhì)量越大，慣性越大，而慣性越大就代表物體的運(yùn)動狀態(tài)越難改變。運(yùn)動狀態(tài)難改變就是說速度變化慢即加速度小。所以質(zhì)量也將決定物體加速度的大小。師：從上面的分析我們知道，物體的加速度與合外力和質(zhì)量有關(guān)，而且大體知道它們之間是怎樣的關(guān)系：質(zhì)量一定時，受力越大，其加速度越大。例如，競賽用的小汽車，質(zhì)量與一般小汽車相仿，但因?yàn)榘惭b了強(qiáng)大的發(fā)動機(jī)，能夠獲得巨大的牽引力，可以在四五秒內(nèi)從靜止加速到100km/h；受力一定時，質(zhì)量越小，加速度越大，例如，同樣牽引力下空車的加速比裝滿貨物的車的加速度大。但是物體學(xué)研究不滿足這樣的定性關(guān)系。我們還想知道它們之間有怎樣的定量關(guān)系。下面我們通過實(shí)驗(yàn)探究這個問題。師：如果某個物理量與好幾個物理之間均有關(guān)系，那如何單獨(dú)研究它與其中一個物理量的關(guān)系呢？生：控制變量法控制變量法：要研究某兩個量之間的關(guān)系，必須保證其它所有的量都不變。比如我們?nèi)绻骄考铀俣扰c合外力的關(guān)系時一定要保證這兩個量之外的所有量均不變，這樣才能確定加速度的變化僅僅是由合外力的變化引起的。二、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)器材：小車、打點(diǎn)計(jì)時器、紙帶、一端帶滑輪的長木板、細(xì)線、砝碼、鉤碼、刻度尺、天平師：本節(jié)課我們探究的內(nèi)容是加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系，那實(shí)驗(yàn)中肯定要測量計(jì)算加速度、質(zhì)量、合外力這三個物理量。師：對于物體運(yùn)動的加速度的測量計(jì)算，哪位同學(xué)有好的思路建議？生：可以跟前面測量勻變速直線運(yùn)動加速度一樣用打點(diǎn)計(jì)時器。師：不錯，這是一個非常好的建議。本節(jié)探究實(shí)驗(yàn)我們就是采用打點(diǎn)計(jì)時器來測量計(jì)算小車的加速度。師：對于小車質(zhì)量的測量，我想大家應(yīng)該知道用什么樣的測量儀器吧？生：用天平！師：很好，就是用天平。現(xiàn)在我們已經(jīng)解決了兩個物理量的測量計(jì)算。那還有最后一個，就是如何測量計(jì)算小車所受的合外力，這是今天這節(jié)課的一個重點(diǎn)，也是一個難點(diǎn)。師：在思考如何測量物體所受的合外力前我們先思考如何才能給小車提供一個恒定的合外力。大家可以根據(jù)老師給你們的實(shí)驗(yàn)儀器來思考回答這個問題。生：把附有滑輪的長木板平放在水平實(shí)驗(yàn)桌上，將細(xì)繩一端與小車相連，一端繞過滑輪，下面掛上鉤碼。小車在鉤碼的牽引力下運(yùn)動。通過增減鉤碼數(shù)改變小車的受力；通過往小車上增減砝碼改變小車的質(zhì)量。師：這位同學(xué)回答得非常好，非常全面。通過增減鉤碼數(shù)改變小車的受力，那我們?nèi)绾蝸頊y量小車所受的合外力呢？是不是鉤碼的重力就是小車所受的合外力呢？生：小車受四個力，重力、支持力、摩擦力、繩子的拉力。重力和支持力相互抵消，物體的合外力就等于繩子的拉力減去摩擦力。小車所受的合外力不是鉤碼的重力師：那看起來比較麻煩，還要再去計(jì)算摩擦力，算摩擦力時又要和壓力N?？傊@樣要得到合外力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)太麻煩困難了。能不能有好一點(diǎn)的解決方法呢？這里主要是摩擦力惹的麻煩，有沒有辦法把摩擦力的影響給消除了呢？生：不可能吧？物體在現(xiàn)實(shí)中不可能不受摩擦力！師：我們雖然不能消除摩擦力，但我們可以消除摩擦力的作用效果，通過前面的學(xué)習(xí)中我們已經(jīng)了解到，一對平衡力的作用效果是可以相互抵消的，我們能不能用一個與摩擦力平衡的力來抵消摩擦力的作用效果呢，使摩擦力有等于沒有。師：其實(shí)答案我早就給你們了，大家還記得這樣一道題嗎？如圖一個木塊正在傾角為為的三角斜面上勻速下滑，試求斜面的動摩擦因數(shù)。NGcosGsinG解：因?yàn)閯蛩?，所以合外力?。物體受重力G、支持力N、摩擦力f。這三個力的合力為0。如何利用這個關(guān)系呢？我們可以將重力分解，分解后則有，所以動摩擦因數(shù)為tan。問：如果此時給物體加上一個沿斜面向下的力F，那物體現(xiàn)在受到的合外力是多少？解：加了一個力以后剛才的那三個力都沒有變，所以它們的合力還是0，再加上一個力F，所以物體現(xiàn)在的合力是F。平衡摩擦力：我們將長木板傾斜一定角度，應(yīng)該等于，此時物體在斜面上受到的合外力為0。做實(shí)驗(yàn)時肯定無法這么準(zhǔn)確，我們只要把木板傾斜到物體在斜面上大致能夠勻速下滑（可以根據(jù)紙帶上的點(diǎn)來判斷），這就說明此時物體合外力為0，摩擦力被重力的沿斜面向下的分力（下滑力）給抵消了。由于小車的重力G、支持力N、摩擦力f相互抵消，那小車實(shí)驗(yàn)中受到的合外力就是繩子的拉力了。 師：那如何來測量繩子的拉力呢？生：看鉤碼的重力就行了，鉤碼的重力不就是繩子的拉力嗎？師：是嗎？那請同學(xué)們先回答我一個問題：什么情況下繩子的拉力等于鉤碼的重量？或當(dāng)繩子拉力等于鉤碼重力時，鉤碼做的是什么運(yùn)動？生：當(dāng)繩子拉力等于鉤碼重力時，鉤碼做的是勻速直線運(yùn)動或靜止。師：實(shí)驗(yàn)鉤碼做的是勻速直線運(yùn)動嗎？生：不是！鉤碼與小車一樣做勻加速直線運(yùn)動，繩子的拉力應(yīng)該小于鉤碼的重力。師：那怎么辦呢？理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)砝碼質(zhì)量比小車質(zhì)量小得多時（1/6），繩子的拉力近似等于砝碼的重力，即小車受到合外力近似等于砝碼的重力。這個結(jié)論在我們學(xué)完本章之后自己就可以證明。三、探究過程1、探究加速度與合外力關(guān)系時，只要保持質(zhì)量不變，改變鉤碼個數(shù)，得到兩次實(shí)驗(yàn)的鉤碼重力之比，再通過紙帶得出兩次加速度之比，看鉤碼重力之比是不是等于加速度之比，如果是，說明加速度與合外力成正比。2、探究加速度與質(zhì)量關(guān)系時，保證鉤碼數(shù)量不變即合外力不變，改變質(zhì)量，得到兩次質(zhì)量之比，再通過紙帶得到兩次加速度之比，看加速度之比是不是等于質(zhì)量之反比，如果是，說明加速度與質(zhì)量成反比。師：在不需要計(jì)算出具體加速度數(shù)值的情況下如何從紙帶上計(jì)算兩次加速度之比呢？生：如果能讓兩次實(shí)驗(yàn)的時間相同，則根據(jù)初速度為0的勻加速直線運(yùn)動時在相同時間內(nèi)的位移之比等于加速度之比。師：這位同學(xué)設(shè)想得很好，怎樣才能讓兩次實(shí)驗(yàn)的時間相同呢？我給大家提四、 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，處理數(shù)據(jù)1、實(shí)驗(yàn)一 探究加速度與力的關(guān)系表一：兩車質(zhì)量都是250g 藍(lán)色小車紅色小車組別繩上掛的鉤碼（代表力F1/N）位移x1/cm繩上掛的鉤碼（代表力F2/N）位移x2/cm1  2  3   表二：兩車質(zhì)量都是250g組別1 2 3 2、實(shí)驗(yàn)二探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系 表三：兩車掛的鉤碼質(zhì)量都是20g 藍(lán)色小車紅色小車車組別車和車上砝碼總質(zhì)量/g（代表質(zhì)量m1）位移x1/cm車和車上砝碼總質(zhì)量/g（代表質(zhì)量m2）位移x2/cm1 2 3  表四：兩車掛的鉤碼質(zhì)量都是20g組別123五、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和誤差分析讓學(xué)生分析表二和表四，并得出結(jié)論結(jié)論：在這個實(shí)驗(yàn)中，我們根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)和觀察到的事實(shí)，首先猜想物體的加速度與它所受的合外力及它的質(zhì)量有最簡單的關(guān)系，即與合外力成正比，與質(zhì)量成反比。，。如果這個猜想正確，那么根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以a為縱坐標(biāo)、以F為橫坐標(biāo)，和以a為縱坐標(biāo)、以為橫坐標(biāo)作出的圖象，都應(yīng)該是經(jīng)過原點(diǎn)的一條直線。但實(shí)際情況往往不是這樣：描出的點(diǎn)有些離散，并不是嚴(yán)格地位于某條直線上；用來擬合這些點(diǎn)的直線并非準(zhǔn)確地通過原點(diǎn)。這時我們會想，自然規(guī)律真的是和嗎？如果經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，圖象中的點(diǎn)都十分靠近某條直線，面這些直線又都十分接近原點(diǎn)，那么實(shí)際的規(guī)律很可能就是這樣的?？梢?，到這時為止，我們的結(jié)論仍然帶有猜想和推斷的性質(zhì)。只有根據(jù)這些結(jié)論推導(dǎo)出的很多新結(jié)果都與事實(shí)一致時，它才能成為“定律”。本節(jié)實(shí)驗(yàn)只是讓我們對于自然規(guī)律的探究有所體驗(yàn)，實(shí)際上一個規(guī)律的發(fā)現(xiàn)不可能是幾次簡單的測量就能得出的。由此看來，科學(xué)前輩們在根據(jù)有限的實(shí)驗(yàn)事實(shí)宣布某個定律時，既需要謹(jǐn)慎，也需要勇氣。