《探究加速度与力、质量的关系》教学设计

　　【教学目标】

 

　　1．通过实验研究，经历物理规律的探究过程。

 

　　2．体验用控制变量研究问题的物理方法。

 

　　3．体会用“图象法”发现物理规律的方法。

 

　　【设计思路】

 

　　这是一个很好的能体现科学探究所有要素的教学案例，要让学生体验科学探究的全过程，认识物理实验和数学工具在物理学发展过程中的作用。本设计首先结合生活实践，让学生分析现象，提出问题，通过定性分析，对问题的解决进行合理猜测，然后引导学生自己设计实验方案，通过师生、生生的交流评估，优化实验方案，在学生的充分的实验活动的基础上，进行分析论证，共享探究的成果。

 

　　【课时】2节课

 

　　【教学过程】

 

　　一、研究问题的提出

 

　　1．提出问题：赛车起动时可以获得很大的加速度，为什么？

 

　　结合身边的实例说明：物体的加速度的大小与什么因素有关？

 

　　师生总结出定性的结论：力越大，加速度越大，质量大，加速度小。

 

　　2．老师明确研究的问题：探究加速度与力、质量定量关系

 

　　问题引导：加速度与力、质量都有关系，如何研究？

 

　　师生总结控制变量法：（1）质量一定，a与F的关系；（2）外力一定，a与M的关系。

 

　　老师引导：根据你的经验，你认为a与F的关系、a与M的关系可能存在怎样的定量关系？

 

　　学生猜想：（1）质量一定，a与F成正比；（2）力一定，a与M成反比。

 

　　老师引导：如何通过数据处理，验证猜想是否正确？

 

　　师生总结数据处理的方法：画a与F、a与1/M图像。

 

　　二、师生交流评估，设计、优化实验方案

 

　　1．老师引导，设计实验方案。探究物体的加速度与力、质量的关系，你要处理好下面两个问题：（1）怎样给物体提供一个可以测量的外力？（2）如何测量物体的加速度？（利用打点计时器或数字毫秒计测量）

 

　　请同学们认真思考，提出自己的方案。

 

　　2．自主设计。学生自主设计出下面两个典型的方案。从方案1到方案2可做适当引导。

 

　　方案1：F=mg-μMg

 

　　测出砝码与小车的质量、动摩擦系数，就可以得到小车受到的合力。

 

   

 

　　方案2：F=Mg（sinθ－μcosθ）=Mg（sinθ－tanβcosθ）

 

　　测出小车的质量、sinθ、cosθ、tanβ，就可以得到合力。β角为斜面上小车刚好匀速下滑的位置。

 

 

　　3．师生交流评估，优化实验方案。

 

　　老师引导：我们用方案2进行实验，为简化测量，取斜面长度为AB=1米，上述三角函数的测量就简单很多。斜面倾角为β角时，小车沿斜面匀速下滑，如图3有：

 

　　sinθ= AC/AB=AC     cosθ=BC/AB=BC

 

　　μ=tanβ=DC/BC=DC/cosθ

 

　　也就是：   DC=μcosθ           (1)

 

　　sinθ－μcosθ= AC- DC=AD          (2)

 

　　F_合力= Mg×AD                        (3)

 

　　4．提出问题：用该实验装置，质量不变时候，怎样获得不同的外力？改变AD长度)

 

　　质量改变时，怎样保证小车的外力不变？(使Mg×AD不变)

 

　　如图4，老师介绍方案2的实验仪器的使用：中旋转基板定位于图3中BD位置。三角斜面插入轨道，将轨道相对中旋转基板转过一定的角度，由米尺1测量出AD（sinθ－μcosθ）的数值，得到F合力的绝对数值。也可以通过斜面上的刻度AE直接读出AD（sinθ－μcosθ）的数值。米尺就不需要了。AE对AD还起到放大作用。

 

图4

 

　　三、学生进行实验。要求首先设计实验步骤，然后进行实验。

 

　　（一）研究质量不变时，外力与加速度的关系的实验：

 

　　（1）如图4调整垫块的位置，通过数值毫秒计（或打点计时器）的监控，使小车恰沿着斜面匀速下滑。

 

　　（2）三角斜面插入轨道，改变三角斜面斜边的插入长度，使AD为0．5cm、1 cm、1．5 cm、2 cm、2．5 cm，AD就相应变成1倍、2倍、3倍、4倍、5倍，通过数字毫秒计（或打点计时器），测出对应的加速度。

 

　　（3）交流合作  共享成果：

 

 

 

　　（二）探究受力一定，a与M的关系的实验：

 

　　（1）调整可移动垫块的位置，通过数值毫秒计（或打点计时器）的监控，使小车恰沿着斜面匀速下滑。

 

　　(2)三角斜面插入轨道，改变小车的质量，并同时改变插入的三角斜面的斜边的长度，使Mg×AD持不变，则合力不变化，通过数字毫秒计（或打点计时器），测出不同的质量所对应的加速度。

 

　　（3）交流合作  共享成果：

 

　　测量表格2：Mg×AD 9．3，保持不变，合外力不变。

 

 

 

　　四、得到结论

 

　　师生总结两堂课的实验结果，得到牛顿第二定律。

 

　　五、实验思考

 

　　如果采用方案1，应怎样简化数据的测量？（倾斜斜面，平衡摩擦力）

 

　　如果采用方案1，在加速度较大的时候，误差如何？应如何减少误差？

 

　　在方案2中已经包含了方案1中简化实验的思想方法，同学能够进行迁移，由于已经通过方案2得出了牛顿第二定律，方案1的系统误差分析可以在理论的指导下进行，降低了误差分析的难度。也可以让学生做一做，让学生看到方案1中的实验图像弯曲，然后用牛顿第二定律进行理论分析。该实验仪器也可以用在探索动能定理、动量定理的实验中。