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2022年高一物理 牛頓第二定律教學(xué)案2 新人教版

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1、2022年高一物理 牛頓第二定律教學(xué)案2 新人教版 一、教學(xué)內(nèi)容分析 1.內(nèi)容與地位 在共同必修模塊物理1的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中涉及本節(jié)的內(nèi)容有:“通過實(shí)驗(yàn),探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系.理解牛頓運(yùn)動(dòng)定律”.本條目要求學(xué)生通過實(shí)驗(yàn),探究加速度、質(zhì)量、力三者的關(guān)系,強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程. 牛頓第二定律是動(dòng)力學(xué)的核心規(guī)律,是學(xué)習(xí)其他動(dòng)力學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ),是本章的重點(diǎn)內(nèi)容,它闡明了物體的加速度跟力和質(zhì)量間的定量關(guān)系,是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立起來的重要規(guī)律,在理論與實(shí)際問題中都有廣泛的運(yùn)用.在教學(xué)過程中要?jiǎng)?chuàng)設(shè)問題情境,讓學(xué)生經(jīng)歷探究加速度、質(zhì)量、力三者關(guān)系的過程,可以

2、通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量加速度、力、質(zhì)量,分別作出表示加速度與力、加速度與質(zhì)量的關(guān)系的圖像,根據(jù)圖像導(dǎo)出加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系式.學(xué)習(xí)過程中引導(dǎo)體會(huì)科學(xué)的研究方法——控制變量法、圖像法的應(yīng)用,培養(yǎng)觀察能力、質(zhì)疑能力、分析解決問題的能力和交流合作能力.在知識(shí)的形成中真正理解牛頓第二定律,同時(shí)體驗(yàn)到探究的樂趣. 2.教學(xué)目標(biāo) (1)經(jīng)歷探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系的過程. (2)感悟控制變量法、圖像法等科學(xué)研究方法的應(yīng)用. (3)體驗(yàn)探究物理規(guī)律的樂趣. (4)培養(yǎng)觀察能力、質(zhì)疑能力、分析解決問題的能力和交流合作能力. 3.教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 引

3、導(dǎo)學(xué)生探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系的過程是本節(jié)課教學(xué)的重點(diǎn),通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出圖像,根據(jù)圖像導(dǎo)出加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系式是本節(jié)的難點(diǎn). 二、案例設(shè)計(jì) (一)復(fù)習(xí)導(dǎo)入 教師:什么是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變?物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的原因是什么? 學(xué)生:物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變就是指物體速度發(fā)生了改變,力是使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化的原因. 教師:物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變,也就是指物體產(chǎn)生了加速度.加速度大,物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化快;加速度小,物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化慢.弄清物體的加速度是由哪些因素決定的,具有十分重要的意義.那么物體的加速度大小是由哪些因素決定的呢?請(qǐng)同學(xué)們先根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)

4、對(duì)這個(gè)問題展開討論,讓學(xué)生嘗試從身邊實(shí)例中提出自己的觀點(diǎn).討論中體會(huì)到a跟力F、物體質(zhì)量m有關(guān). (二)探究加速度a跟力F、物體質(zhì)量m的關(guān)系 1.定性討論a、F、m的關(guān)系 學(xué)生:分小組討論. 教師:在學(xué)生分組討論的基礎(chǔ)上,請(qǐng)各組派代表匯報(bào)討論結(jié)果. 引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出定性的結(jié)論:a與F、m有關(guān)系,當(dāng)m一定時(shí)F越大,a就越大;當(dāng)F一定時(shí),m越大,a就越?。? 請(qǐng)思考: 在這里為什么要組織學(xué)生開展這樣的討論? 2.定量研究a、F、m的關(guān)系 (1)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案 教師在肯定學(xué)生回答的基礎(chǔ)上,提問:如何定量地研究a與F

5、、m的關(guān)系呢?指出剛才大家在定性討論a、F、m三者關(guān)系時(shí),就已經(jīng)采用了在研究a與F關(guān)系時(shí)保持m一定,在研究a與m的關(guān)系時(shí)保持F一定的方法,這種方法叫做控制變量法,它是研究多變量問題的一種重要方法.下面我們可應(yīng)用這種方法,通過實(shí)驗(yàn)對(duì)a、F、m的關(guān)系進(jìn)行定量研究. 教師進(jìn)一步引導(dǎo),使學(xué)生明確要在實(shí)驗(yàn)中研究a、F、m的關(guān)系必須有辦法測(cè)出a、F、m. 教師在指出講臺(tái)上放有氣墊導(dǎo)軌、氣源、兩個(gè)光電開關(guān)和與之配套的數(shù)字計(jì)時(shí)器、滑塊、細(xì)線、砝碼、小桶、彈簧秤、托盤天平、一端帶有滑輪的長(zhǎng)木板、小車、鉤碼、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、刻度尺,并說明每個(gè)光電開關(guān)與數(shù)字計(jì)時(shí)器一起能測(cè)出一定寬度的遮光板通過

6、它的時(shí)間進(jìn)而測(cè)出物體的瞬時(shí)速度后,讓學(xué)生根據(jù)給定的器材設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,并在小組討論基礎(chǔ)上,全班交流.在大家互相啟發(fā)、補(bǔ)充的過程中形成較為完善的方案. 學(xué)生:設(shè)計(jì)出如下實(shí)驗(yàn)方案. 方案一 以小車、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、長(zhǎng)木板、細(xì)線、小桶、鉤碼、砝碼、刻度尺、天平為器材,研究小車的運(yùn)動(dòng).用天平測(cè)出小車的質(zhì)量m1,測(cè)出小桶的質(zhì)量m2,把小桶與小桶中砝碼的總重力m′g當(dāng)作小車受到的拉力F,從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上測(cè)出△s,由△s=at2計(jì)算出小車的加速度a. 方案二 以氣墊導(dǎo)軌、氣源、兩個(gè)光電開關(guān)、數(shù)字計(jì)時(shí)器、滑塊、刻度尺、細(xì)線、小桶、砝碼、鉤碼、天平為器材研究滑塊的運(yùn)動(dòng).

7、用天平測(cè)出滑塊的質(zhì)量m1,測(cè)出小桶的質(zhì)量m2,把小桶與小桶中砝碼的總重力m′g當(dāng)作滑塊受到的拉力F,用導(dǎo)軌旁邊的刻度尺測(cè)出兩光電開關(guān)的距離s0,用刻度尺測(cè)出固定在滑塊上的遮光片的寬度△s,根據(jù)數(shù)字計(jì)時(shí)器給出的遮光片分別通過前后兩個(gè)光電開關(guān)所經(jīng)歷的時(shí)間△t1、△t2,由于△s?s0,因此可以根據(jù)v1=△s/△t1和v2=△s/△t2計(jì)算出滑塊在兩光電開關(guān)間運(yùn)動(dòng)時(shí)的初、末速度,再由計(jì)算出滑塊的加速度a. 教師引導(dǎo)學(xué)生討論兩種方案的可行性,讓學(xué)生踴躍發(fā)表自己見解. 教師:上述兩種方案都是可行的.但前一種方案中小車受到的摩擦力較大,實(shí)驗(yàn)誤差較大,因此就得想辦法消除摩擦力的影響,那么

8、如何消除摩擦力呢?建議有興趣的同學(xué)自己利用課余的時(shí)間去實(shí)驗(yàn)室用前一種方案或其他方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索.本節(jié)課我們采用上述后一種方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究. 教師:不論采用上述哪種方案,我們把小桶與小桶中砝碼的總重力mg當(dāng)作小車(包括上面的鉤碼)或滑塊(包括上面的鉤碼)受到的拉力,這是有條件的,這條件就是m?m′(m為小車與鉤碼或滑塊與鉤碼的總質(zhì)量). (2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究 教師:引導(dǎo)學(xué)生在氣墊導(dǎo)軌上研究a、F、m三者關(guān)系,為了讓學(xué)生能有條不紊地進(jìn)行實(shí)驗(yàn),用電子幻燈片打出研究?jī)?nèi)容、實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)記錄表格如下: 【研究?jī)?nèi)容】研究m一定時(shí), a與F的關(guān)系 【研究步驟】

9、①用天平分別測(cè)出單個(gè)滑塊的質(zhì)量m1=__________g,小桶質(zhì)量m2=__________g,則滑塊總質(zhì)量m等于m1加上放在它上面的鉤碼的質(zhì)量△m1. ②在桶中放置質(zhì)量為△m2的砝碼,則m′=m2+△m2,當(dāng)m?m′時(shí),認(rèn)為F=m′g(g取9.8m/s2). ③用刻度尺測(cè)出遮光片的寬度△s=__________m,用軌道邊上的標(biāo)尺測(cè)出兩光電開關(guān)之間的距離s0=__________m. ④實(shí)驗(yàn)時(shí),保持s0不變,把各次滑塊運(yùn)動(dòng)中遮光片經(jīng)過前后光電開關(guān)的時(shí)間△t1、△t3代入公式計(jì)算出各次滑塊運(yùn)動(dòng)的加速度,并把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表11-1. 表11-1 研究m一定時(shí),

10、滑塊加速度a與其受力F的關(guān)系 單個(gè)滑塊質(zhì)量 m1=_____g 滑塊總質(zhì)量 m=_____g 小桶質(zhì)量 m2=_____g 遮光片寬度 △s=_____m 兩光電開關(guān)間距 s0=_____m 實(shí)驗(yàn)次數(shù) 小桶上的砝碼質(zhì)量△m2/g 小桶與壇碼總質(zhì)量m′/g △t1/s △t2/s 滑塊加速度a/(m﹒s -2) 滑塊受的拉力F/N 1 ? ? ? ? ? ? 2 ? ? ? ? ? ? 3 ? ? ? ? ? ? 4 ? ? ? ? ? ? 【實(shí)驗(yàn)的結(jié)論】_____________________

11、_______________________________ 【研究?jī)?nèi)容二】研究a與m的關(guān)系(F一定) 【研究步驟】①用天平分別測(cè)出單個(gè)滑塊的質(zhì)量m1=__________g,小桶質(zhì)量m2=__________g,則各次實(shí)驗(yàn)中滑塊總質(zhì)量m等于m1加上放在它上面的鉤碼的質(zhì)量△m1. ②在小桶中放置質(zhì)量為△m2的砝碼,則m′=m2+△m2,當(dāng)m?m′時(shí),認(rèn)為F=m′g(g取9.8m/s2),并保持m不變. ③用刻度尺測(cè)出遮光片的寬度△s=__________m,用軌道邊上的標(biāo)尺測(cè)出兩光電開關(guān)之間的距離s0=__________m. ④實(shí)驗(yàn)時(shí),保持

12、s0不變,把各次滑塊運(yùn)動(dòng)中遮光片經(jīng)過光電開關(guān)的時(shí)間△t1、△t2代入公式,計(jì)算出各次滑塊運(yùn)動(dòng)的加速度,把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填入表11-2. 表11-2 研究滑塊加速度a與滑塊總質(zhì)量m的關(guān)系(拉力F一定) 單個(gè)滑塊質(zhì)量 m2=_____g 小桶質(zhì)量 m2=_____g 小桶與砝碼的總質(zhì)量 m′=_____g 遮光片寬度 △s=_____m 兩光電開關(guān)間距 s0=_____m 實(shí)驗(yàn)次數(shù) 滑塊砝碼質(zhì)量△m1/g △t1/s △t2/s 滑塊加速度a/(m﹒s -2) 滑塊與砝碼總質(zhì)量m/g 1 ? ? ? ? ? 2 ? ? ? ? ? 3 ?

13、 ? ? ? ? 4 ? ? ? ? ? 【實(shí)驗(yàn)的結(jié)論】____________________________________________________ 說明 在簡(jiǎn)要說明數(shù)字計(jì)時(shí)器的使用方法,強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過程應(yīng)使氣墊導(dǎo)軌保持水平,兩光電開關(guān)間距要盡可能大些,盡可能使m′遠(yuǎn)大于m(如果m′≥20m,則可認(rèn)為m′?m)等注意事項(xiàng)后,請(qǐng)兩位學(xué)生上臺(tái)操作并報(bào)告測(cè)量數(shù)據(jù),其他學(xué)生邊觀察邊在課前印發(fā)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表(表11-1、表11-2)上填上實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù). 教師:把全班學(xué)生分成8個(gè)小組,第1組~第4組學(xué)生分別完成(表11-1)中從實(shí)驗(yàn)次數(shù)1~4各項(xiàng)

14、目的計(jì)算與填寫,第5組~第8組學(xué)生分別完成(表11-2)中從實(shí)驗(yàn)次數(shù)1~4各項(xiàng)目的計(jì)算與填寫. 教師:讓學(xué)生反饋計(jì)算結(jié)果,并填入電子幻燈片(表11-1)、(表11-2)的對(duì)應(yīng)欄目中. 教師:引導(dǎo)學(xué)生對(duì)表11-1的數(shù)據(jù)①通過直接觀察;②通過在坐標(biāo)紙上畫出a-F圖像進(jìn)行分析,得出a∝F(m一定時(shí))的結(jié)論. 在描點(diǎn)畫圖時(shí),讓學(xué)生體會(huì)為什么要讓描出的點(diǎn)盡可能多地分布在某一直線的兩側(cè),嘗試說出實(shí)驗(yàn)誤差的原因. 教師:引導(dǎo)學(xué)生對(duì)表11-2的數(shù)據(jù)①通過直接觀察②通過在坐標(biāo)紙上畫出a-m圖像進(jìn)行分析,只能得出當(dāng)F一定時(shí),m越大a就越小的結(jié)論. 教師:能不能就此

15、馬上斷言a與m成反比?讓學(xué)生展開討論. 教師:在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行全班交流的基礎(chǔ)上,問學(xué)生能不能猜想a與m成反比? 如何證明這種猜想是否正確?請(qǐng)思考討論. 學(xué)生:可以畫出a與圖像,看它是否為過原點(diǎn)的直線. 學(xué)生:還可以通過計(jì)算a與m的比值來判斷. 教師:讓學(xué)生分組計(jì)算出對(duì)應(yīng)各次實(shí)驗(yàn)的,并在全班反饋填人表11-2后,在坐標(biāo)紙上作出a-圖像. 學(xué)生:確實(shí)實(shí)驗(yàn)得到的直線是接近過原點(diǎn)的,實(shí)驗(yàn)誤差允許范圍內(nèi)a與m是成反比(F一定時(shí))的. 說明 這里開展一系列討論的目的是為了讓學(xué)生體會(huì)從a-m圖像轉(zhuǎn)化到a-圖像的意義,認(rèn)識(shí)圖像法描述物理規(guī)律

16、的作用. 教師:本實(shí)驗(yàn)只是讓我們對(duì)于自然規(guī)律的探究有所體驗(yàn),實(shí)際上一個(gè)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)不可能是幾次簡(jiǎn)單的測(cè)量實(shí)驗(yàn)就能得出,還需要通過大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)來論證. 3.牛頓第二定律 通過大量的實(shí)驗(yàn)探究得到加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系是: 當(dāng)物體的質(zhì)量一定時(shí),物體的加速度跟所受的作用力成正比,跟物體的質(zhì)量成反比,這就是牛頓第二定律. 加速度和力都是矢量,它們都有方向,牛頓第二定律不但確定了加速度和力的大小之間的關(guān)系,還確定了它們的方向之間的關(guān)系:加速度的方向跟引起這個(gè)加速度的力的方向相同. 牛頓第二定律也可用數(shù)學(xué)公式來表示: a∝F/m或F∝ma 上式

17、可改寫為等式:F=kma,式中的k是比例常數(shù). 教師指出: (1)如果各物理量都采用國(guó)際單位,k=1; (2)力的單位“牛頓”是根據(jù)牛頓第二定律定義的. 定義:使質(zhì)量1kg的物體產(chǎn)生1m/s2的加速度所需要的力,叫做1N.即1N=1kg·m/s2 可見,如果都用國(guó)際制單位,則k=1. 牛頓第二定律可簡(jiǎn)化為 F=ma 這就是牛頓第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式. 三、案例評(píng)析 本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)的思路是:首先提出物體的加速度是由哪些因素決定的這個(gè)問題,引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己已有的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性探究,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用控制變量法進(jìn)行定

18、量探究,讓學(xué)生經(jīng)歷自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、全班合作處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論的過程,最后總結(jié)出牛頓第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式. 本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)為創(chuàng)設(shè)問題情境,讓學(xué)生主動(dòng)參與探究加速度、質(zhì)量、力三者關(guān)系的全過程,在實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)分析、應(yīng)用圖像探究規(guī)律等問題解決的過程中較為關(guān)注學(xué)生自己的觀念,讓學(xué)生在問題討論中完善自己的觀點(diǎn),學(xué)習(xí)應(yīng)用物理和數(shù)學(xué)的方法研究自然規(guī)律,有效地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、觀察能力、分析能力、解決問題的能力以及合作交流的能力.教師在實(shí)驗(yàn)完成后的一句話“本實(shí)驗(yàn)只是讓我們對(duì)于自然規(guī)律的探究有所體驗(yàn),實(shí)際上一個(gè)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)不可能是幾次簡(jiǎn)單的測(cè)量實(shí)驗(yàn)就得出

19、,還需要通過大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)來論證”充分體現(xiàn)了注重對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的教育.對(duì)于實(shí)驗(yàn)的方案可以根據(jù)學(xué)校、學(xué)生的情況,選擇一種或兩種或三種做,讓學(xué)生比較實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多方面的反思. 四、相關(guān)鏈接 探究牛頓第二定律中的圖像問題 典型例題1 在“探究牛頓第二定律”實(shí)驗(yàn)中,研究加速度與力的關(guān)系時(shí)得到如圖11-1所示的圖像,試分析其原因. 分析:在做a-F關(guān)系實(shí)驗(yàn)時(shí),用砂和砂桶所受重力mg代替了小車所受的拉力F,如圖11-2所示: 事實(shí)上,砂和砂桶的重力mg與小車所受的拉力F是不相等的,這是產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差的原因,為此,必須根據(jù)牛頓第二定律分析mg

20、和F在產(chǎn)生加速度問題上存在的差別.由圖像經(jīng)過原點(diǎn)知,小車所受的摩擦力已被平衡.設(shè)小車實(shí)際加速度為a,由牛頓第二定律可得 mg=(m+m0)a即 若視F=mg,設(shè)這種情況下小車的加速度為a′,則a′=mg/m0.在本實(shí)驗(yàn)中,m0保持不變,與mg(F)成正比,而實(shí)際加速度a與mg成非線性關(guān)系,且m越大,圖像斜率越?。硐肭闆r下,加速度a與實(shí)際加速度a差值為 上式可見,m取不同值,△a不同,m越大,△a越大,當(dāng)m0?m時(shí),a≈a′△a→0,這就是要求該實(shí)驗(yàn)必須滿足m0?m的原因所在. 本題誤差是由于砂及砂桶質(zhì)量較大,不能很好滿足m0?m造成的. 點(diǎn)評(píng):本實(shí)驗(yàn)的誤差因原理

21、不完善引起的誤差,本實(shí)驗(yàn)用砂和砂桶所受的總重力mg代替小車的拉力,而實(shí)際小車所受的拉力要小于砂和砂桶所受的總重力,這個(gè)砂和砂桶的總質(zhì)量越接近小車和砝碼的總質(zhì)量,誤差越大;反之砂和砂桶的總質(zhì)量越小于小車和砝碼的總質(zhì)量,由此引起的誤差就越小.因此滿足砂和砂桶的總質(zhì)量m遠(yuǎn)小于小車和砝碼的總質(zhì)量m0的目的就是為了減小因?qū)嶒?yàn)原理不完善而引起的誤差.此誤差可因?yàn)閙?m0而減小,但不可能消去此誤差. 典型例題2 在利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和小車做“探究牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)時(shí),實(shí)驗(yàn)前為什么要平衡摩擦力?應(yīng)當(dāng)如何平衡摩擦力? 分析:牛頓第二定律表達(dá)式F=ma中的F,是物體所受的合外力,在本實(shí)驗(yàn)中,如

22、果不采用一定的辦法平衡小車及紙帶所受的摩擦力,小車所受的合外力就不只是細(xì)繩的拉力,而應(yīng)是細(xì)繩的拉力和系統(tǒng)所受的摩擦力的合力.因此,在研究加速度a和外力F的關(guān)系時(shí),若不計(jì)摩擦力,誤差較大;若計(jì)摩擦力,其大小的測(cè)量又很困難.在研究加速度a和質(zhì)量m的關(guān)系時(shí),由于隨著小車上的砝碼增加,小車與木板間的摩擦力會(huì)增大,小車所受的合外力就會(huì)變化(此時(shí)長(zhǎng)板是水平放置的),不滿足合外力恒定的實(shí)驗(yàn)條件,因此實(shí)驗(yàn)前必須平衡摩擦力. 應(yīng)如何平衡摩擦力?怎樣檢查平衡的效果?有人是這樣操作的:把如圖11-3所示裝置中的長(zhǎng)木板的右端墊高一些,使之形成一個(gè)斜面,然后把實(shí)驗(yàn)用小車放在長(zhǎng)木板上,輕推小車,給小車一個(gè)沿

23、斜面向下的初速度,觀察小車的運(yùn)動(dòng)情況,看其是否作勻速直線運(yùn)動(dòng).如果基本可看作勻速直線運(yùn)動(dòng),就認(rèn)為平衡效果較好.這樣操作有兩個(gè)問題:一是在實(shí)驗(yàn)開始以后,阻礙小車運(yùn)動(dòng)的阻力不只是小車受到的摩擦力,還有打點(diǎn)計(jì)時(shí)器限位孔對(duì)紙帶的摩擦力及打點(diǎn)時(shí)振針對(duì)紙帶的阻力,在上面的做法中沒有考慮后兩個(gè)阻力;二是檢驗(yàn)平衡效果的方法不當(dāng),靠眼睛的直接觀察判斷小車是否做勻速直線運(yùn)動(dòng)是很不可靠的.正確的做法是:將長(zhǎng)木板的末端(如圖11-3中的右端)墊高一些,把小車放在斜面上,輕推小車,給小車一個(gè)沿斜面向下的初速度,觀察小車的運(yùn)動(dòng),當(dāng)用眼睛直接觀察可認(rèn)為小車做加速度很小的直線運(yùn)動(dòng)以后,保持長(zhǎng)木板和水平桌面的夾角不動(dòng),并裝上打

24、點(diǎn)計(jì)時(shí)器及紙帶,在小車后拖紙帶、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器開始打點(diǎn)的情況下,給小車一個(gè)沿斜面向下的初速度,使小車沿斜面向下運(yùn)動(dòng).取下紙帶后,如果在紙帶上打出的點(diǎn)的間隔基本上均勻,就表明小車受到的阻力跟它所受的重力沿斜面的分力平衡. 點(diǎn)評(píng): (1)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器工作時(shí),振針對(duì)紙帶的阻力是周期性變化的,所以,難以做到重力沿斜面方向的分力與阻力始終完全平衡,小車的運(yùn)動(dòng)也不是嚴(yán)格的勻速直線運(yùn)動(dòng),紙帶上的點(diǎn)的間隔也不可能完全均勻,所以上面提到要求基本均勻. (2)在實(shí)驗(yàn)前對(duì)摩擦力進(jìn)行了平衡以后,實(shí)驗(yàn)中需在小車上增加或減少砝碼,因?yàn)楦淖兞诵≤噷?duì)木板的壓力,從而使摩擦力出現(xiàn)了變化,有沒有必要重新平

25、衡摩擦力?我們說沒有必要,因?yàn)橛纱艘鸬哪Σ亮ψ兓菢O其微小的.從理論上講,在小車及其砝碼質(zhì)量變化時(shí),由力的分解可知,重力沿斜面向下的分力G1和垂直斜面方向的分力G2(大小等于對(duì)斜面的壓力),在斜面傾角不變的情況下是成比例增大或減小的,進(jìn)而重力沿斜面方向的分力G1和摩擦力f成比例變化,仍能平衡.但實(shí)際情況是,紙帶所受阻力F′f,在平衡時(shí)有G1=Ff+F′f,而當(dāng)F′f和Ff成比例變化后,前式不再相等,因而略有變化.另外,小車的軸與輪的摩擦力也會(huì)略有變化,在我們的實(shí)驗(yàn)中,質(zhì)量變化較小,所引起的誤差可忽略不計(jì). 典型例題3 用如圖11-4(a)所示的裝置研究質(zhì)量、定時(shí)加速度與作用力的關(guān)

26、系.實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為細(xì)繩對(duì)小車的作用力F等于砂和桶所受的總重力,用改變砂的質(zhì)量的辦法來改變對(duì)小車的作用力F,用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)出小車的加速度a,得出若干組F和a的數(shù)值,然后根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)作a-F圖線.一學(xué)生作出如圖11-4(b)所示的圖線,發(fā)現(xiàn)橫軸上的截距OA較大,明顯地超出了偶然誤差的范圍,這是由于實(shí)驗(yàn)中沒有進(jìn)行什么步驟? 分析:這是一個(gè)驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn),作出的a-F圖線理應(yīng)通過原點(diǎn),表明質(zhì)量m0一定時(shí),加速度a與F成正比,作出圖11-4(b)所示的圖線,表示什么意思呢?設(shè)截距OA=Ff,現(xiàn)變換一下坐標(biāo)原點(diǎn),把原點(diǎn)移至A點(diǎn),縱坐標(biāo)仍表示加速度a,橫坐標(biāo)表示F-Ff,設(shè)直線的斜率為,則圖11-

27、4(c)表示 a=k(F-Ff),F(xiàn)-Ff=m0a 即:由牛頓第二定律可知,在某同學(xué)所做的這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,合外力并不是細(xì)繩對(duì)小車的作用力F,而是F-Ff,顯然,這個(gè)f是水平長(zhǎng)木板對(duì)小車的摩擦力,這個(gè)摩擦力在實(shí)驗(yàn)中是不能忽略的,實(shí)驗(yàn)中需平衡此摩擦力,采用的辦法是:“在長(zhǎng)木板的不帶定滑輪的一端下面墊一塊木板,反復(fù)移動(dòng)木板的位置,直到小車在斜面上運(yùn)動(dòng)時(shí)可以保持勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài),這時(shí)小車拖著紙帶運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的摩擦阻力恰好與小車所受的重力在斜面上的分力平衡”.(見高中課本)這時(shí)小車所受的合外力F-Ff+m0gsinθ=F,畫出的圖線應(yīng)當(dāng)通過原點(diǎn),該同學(xué)作出如圖11-4乙所示的a-F圖線,是因?yàn)樗趯?shí)驗(yàn)中沒

28、有進(jìn)行平衡摩擦力這一步驟. 典型例題4 利用例3圖11-4(a)所示的裝置做“探究牛頓第二定律”實(shí)驗(yàn),甲同學(xué)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出的小車的加速度。和小車所受拉力F的圖像為圖11-5中的直線Ⅰ,乙同學(xué)畫出的a-F圖像為圖11-5中的直線Ⅱ.直線Ⅰ、Ⅱ在縱軸或橫軸上的截距較大,明顯超出了誤差范圍,下面給出了關(guān)于形成這種情況原因的四種解釋,其中可能正確的是( ) A.實(shí)驗(yàn)前甲同學(xué)沒有平衡摩擦力 B.甲同學(xué)在平衡摩擦力時(shí),把長(zhǎng)木板的末端抬得過高了 C.實(shí)驗(yàn)前乙同學(xué)沒有平衡摩擦力 D.乙同學(xué)在平衡摩擦力時(shí),把長(zhǎng)木板的末端抬得過高了 分析:

29、圖像Ⅰ在縱軸上有較大的截距,說明在繩對(duì)小車的拉力F=0(還沒有掛砂桶)的情況下,小車就有了沿長(zhǎng)木板向下的加速度a0.設(shè)長(zhǎng)木板與水平桌面間的夾角為θ,小車所受的重力mg沿長(zhǎng)木板向下的分力應(yīng)為mg sinθ,長(zhǎng)木板對(duì)小車的摩擦阻力應(yīng)為μmg cosθ.又設(shè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)所受的其他阻力為Ff(可視為定值),則應(yīng)有mg sinθ-(μmg cosθ+Ff)=ma0,在此式中m、g、μ、Ff為定值.如果適當(dāng)減小θ值,可使sinθ減小而cosθ值增大,實(shí)現(xiàn)a0=0,圖像起點(diǎn)回到坐標(biāo)系的原點(diǎn).圖像Ⅱ在橫軸上有較大的截距,說明乙同學(xué)在實(shí)驗(yàn)前沒有平衡摩擦力,因此在繩對(duì)小車有了較大的拉力F以后,小車的加速度仍然為零,其原因如例3所述.由上述分析可知,B、C選項(xiàng)的敘述正確. 分析:(1)關(guān)鍵分析縱截距及其物理意義;(2)在實(shí)驗(yàn)中平衡摩擦力的標(biāo)準(zhǔn)是物體在不掛砂桶時(shí)勻速運(yùn)動(dòng),即所連紙帶上的點(diǎn)應(yīng)是均勻分布的.

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