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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)的重要規(guī)律，在理論與實(shí)際問(wèn)題中都有廣泛的運(yùn)用．在教學(xué)過(guò)程中要?jiǎng)?chuàng)設(shè)問(wèn)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(guò)程，可以

2、通過(guò)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(guò)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(wèn)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(lè)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(guò)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(lè)趣． （4）培養(yǎng)觀察能力、質(zhì)疑能力、分析解決問(wèn)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(guò)程是本節(jié)課教學(xué)的重點(diǎn)，通過(guò)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(wèn)題展開(kāi)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(kāi)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(wèn)：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(wèn)題的一種重要方法．下面我們可應(yīng)用這種方法，通過(guò)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(kāi)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(shuō)明每個(gè)光電開(kāi)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(guò)

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(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)前后兩個(gè)光電開(kāi)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(kāi)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(jiàn)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(kāi)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(guò)前后光電開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)光電開(kāi)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(kāi)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(shuō)明 在簡(jiǎn)要說(shuō)明數(shù)字計(jì)時(shí)器的使用方法，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)過(guò)程應(yīng)使氣墊導(dǎo)軌保持水平，兩光電開(kāi)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(guò)直接觀察；②通過(guò)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(shuō)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(guò)直接觀察②通過(guò)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(kāi)討論． 教師：在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行全班交流的基礎(chǔ)上，問(wèn)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(guò)原點(diǎn)的直線． 學(xué)生：還可以通過(guò)計(jì)算a與m的比值來(lái)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(guò)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(shuō)明 這里開(kāi)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(guò)大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)來(lái)論證． 3．牛頓第二定律 通過(guò)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(lái)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(jiàn)，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(wèn)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(guò)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(wèn)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(guò)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(wèn)題解決的過(guò)程中較為關(guān)注學(xué)生自己的觀念，讓學(xué)生在問(wèn)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(wèn)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(guò)大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)來(lái)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(wèn)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(wèn)題上存在的差別．由圖像經(jīng)過(guò)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(jiàn)，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?。虼藵M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(wèn)題：一是在實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(méi)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(kāi)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(méi)有必要重新平

25、衡摩擦力?我們說(shuō)沒(méi)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(lái)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(méi)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(méi)

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(méi)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(guò)高了 C．實(shí)驗(yàn)前乙同學(xué)沒(méi)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(guò)高了 分析：

29、圖像Ⅰ在縱軸上有較大的截距，說(shuō)明在繩對(duì)小車的拉力F＝0（還沒(méi)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(shuō)明乙同學(xué)在實(shí)驗(yàn)前沒(méi)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．