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探究加速度与力、质量的定量关系预习学案

一、提出问题

牛顿第一定律：当物体不受力或者受合外力为零时，将保持静止或匀速直线运动。可知，力不是维持物体运动状态的原因，力是改变物体运动状态的原因。

物体所受合外力不为零时就会产生加速度，力越大，运动状态越容易改变；物体保持原来运动状态的性质叫惯性，质量是惯性大小的唯一量度，质量越大，物体运动状态越难改变。由此可见加速度a既与合外力F有关，也与物体质量m有关。

那么加速度与力、质量这者之间到底有什么定量关系呢？

二、引入课题：

请根据已有的知识设计一种探究加速度与力、质量的定量关系的实验方案，并把你的方案详细写在下面空白处（可画示意图配合说明）。注意思考以下问题：

1．应该采用什么样的物理方法来研究物体的加速度、质量和受到的合外力的定量关系呢？

2．你设计的方案如何测量物体的加速度、质量和受到的合外力？

3．怎样设计实验步骤？

4．如何采集实验数据，怎样对实验数据进行分析？

5．你设计的实验方案误差来源是什么？如何减小实验误差？

学习目标：

1、知道测量合外力大小和加速度大小的方法。

2、了解气垫导轨减小摩擦的原理。

3、了解光电门及数字计时器在实验中发挥的作用。

4、能够独立实验探究出加速度与力、质量的定量关系。

5、知道数据的处理，会运用作图法来定量描述加速度与力，及加速度与质量的关系。

学习重难点：

1、实验探究加速度与力、质量的定量关系

2、数据的处理，会运用作图法来定量描述加速度与力，及加速度与质量的关系。

知识要点：

这节课我们将通过实验精确研究加速度与力、质量三者之间的定量关系。

一、提出猜想：加速度与力成正比，加速度与质量成反比

二、实验方案对比：

实验

方案

?

?

相同之处

（1）控制变量法

（2）合外力的测量：通过受力分析确定

（3）加速度的测量：通过运动学公式确定

不同之处

?

?

实验误差

（1）忽略了摩擦力

（2）测量时间误差较大

（1）忽略了摩擦力

（2）拉力近似等于钩码的重力

三、实验模型：

通过定滑轮悬挂小桶，释放小桶，滑块M在细绳拉力的牵引下，沿水平导轨加速运动。通过测量滑块M的质量、滑块M所受的合外力与滑块M的加速度，探究三者之间的关系。

研究对象：滑块M

滑块M的受力分析如图（a）所示。小车所受的合外力F合=F-f（其中F为细绳拉力，f为水平导轨的摩擦力）。因为摩擦力未知，所以合外力不好确定，不能探究加速度与合外力的定量关系。

（1）去掉摩擦力的影响使用气垫导轨

滑块在气垫导轨上运动，导轨上的小孔喷出的气流使滑块悬浮在导轨上，使滑块所受的摩擦力减小到可以忽略不计的程度。

此时滑块受力可简化成图（b）。研究对象滑块所受的合外力简化为滑块所受的细绳拉力F。

（2）滑块所受的拉力F如何测量？滑块所受的细绳拉力F大小等于小桶的重力mg吗？

如图（c）示，若F=mg，小桶所受合外力为零，下落过程应为匀速直线运动。这与事实不符。即F≠mg。

加速度越大，F、mg两者差别越大。反之，加速度很小的时候，接近平衡状态，我们可把滑块所受的拉力近似地看作等于小桶所受的重力。（滑块质量M小桶质量m，加速度就会很小）

综上所述，在气垫导轨减小摩擦力的影响与保证加速度很小（即保证滑块质量M小桶质量m）两个实验条件下，滑块M的合外力F合=mg。【即滑块所受的合外力转化为测量小桶的重力mg】

四、实验原理：

（1）如何改变滑块的质量M：在滑块上加减砝码

（2）如何改变滑块所受的合外力F合：在小桶中加减小铁珠

（3）如何测加速度a：【利用光电门求瞬时速度】

以前学习可知，我们可以用打点计时器打出的纸带，利用纸带打出的点迹计算加速度；

此处我们利用光电门求瞬时速度v1和v2，再利用运动学公式求加速度，其中S为两个光电门之间的距离；v1和v2分别表示滑块通过两个光电门的瞬时速度，（d为挡光片的宽度，⊿t1、⊿t2为挡光片通过光电门的时间。因为挡光片通过光电门时挡光的时间很短，可认为滑块通过光电门时的平均速度等于瞬时速度）。【确定的d和s，测量滑块通过两个光电门的时间即可测量加速度a】

五、实验方法与过程：控制变量法

（1）保持滑块M的质量不变，改变合外力（小桶m的重力），探究加速度a与合外力F合的关系：

两光电门距离0.50m，挡光片宽度0.03m，滑块（包含挡光片与砝码）质量M=________kg

铁珠和小桶质量m/kg

F/N

/s

V1(m/s)

/s

V2(m/s)

S/m

a/(m/s2)

（每次增加3个小铁珠，每个小铁珠质量为2g）

数据处理：

计算法：【若加速度与力成正比，则应有】

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