陕西省安康市石泉县高中物理 第5章 研究力和运动的关系 5.3 牛顿第二定律 教案 沪科版必修1.doc

5.3牛顿第二定律一、教学目标1知识与技能：(1)掌握牛顿第二定律的内容和公式； (2)理解公式中各物理量的意义及相互关系； (3)知道在国际单位制中力的单位“牛顿”是怎样定义的。2过程与方法：(1)以实验为基础，通过观察、测量、归纳得到物体的加速度跟它的质量及所受外力的关系，进而总结出牛顿第二定律。培养学生的实验能力、概括能力和分析推理能力。(2)渗透物理学研究方法的教育。实验采用控制变量的方法对物体的a、f、m三个物理量进行研究；运用列表法、图象法处理数据，使学生知道结论是如何得出的；认识到由实验归纳总结物理规律是物理学研究的重要方法。3情感态度与价值观培养学生主动与他人合作、具有团队精神，培养学生具有勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神。二、重点、难点分析1本节的重点内容是做好演示实验。让学生观察并记录数据，从而有说服力地归纳出a与f和m的关系，即可顺理成章地得出牛顿第二定律的基本关系式。因此，熟练且准确地操作实验就是本课的关键点。同时，也只有讲清实验装置、原理和圆满地完成实验才能使学生体会到物理学研究的方法，才能达到掌握方法、提高素质的目标。2牛顿第二定律的数学表达式简单完美，记住并不难。但要全面、深入理解该定律中各物理量的意义和相互关联；牢固掌握定律的物理意义和广泛的应用前景，对学生来说是较 困难的。三、教具朗威dis实验室、微机、铁架台、气垫导轨、学生天平、滑块、细线、小钩码、配重片等。四、主要教学过程 (一)引入新课 由牛顿第一定律可知：力是改变物体运动状态的原因。而物体运动状态的改变是物体运动速度发生变化，即加速度不为零。因而力又是产生加速度的原因，加速度与力有关。 由牛顿第一定律还可知：一切物体总保持静止或匀速直线运动状态，这种性质叫惯性。而质量是物体惯性大小的量度，因而加速度跟质量有关。 那么物体运动的加速度跟物体质量及受力之间存在什么样的关系？我们通过实验来探究。 (二)教学过程设计 1实验设计 (1)启发学生按如下思路得出实验方法：对于一个物体(使m不变)，不受力时加速度为零受力后加速度不为零受力越大则加速度越大。 用同样的力(使f不变)作用于不同物体质量小的易被拉动质量越小加速度越大。 就是说，在研究三个变量的关系时，要使其中一个量不变，即控制变量的方法。(2)启发学生得出实验原理：测定物体加速度的方法有多种，其中用朗威dis实验室、微机、气垫导轨可以精确测出加速度。2实验过程(1) 加速度跟力的关系 用天平称出气垫导轨所配小钩码与配重片的质量（g）； 调整气垫导轨水平，将小钩码与配重片悬挂在导轨末端下方，并通过牵引绳与滑块连接，对滑块施加拉力，使滑块滑动； 逐次增加配重片的质量并手动记录之，使其对滑块施加的拉力逐次增大，测出不同拉力下加速度的值； 在计算表格中，增加变量“x0”，代表小钩码与配重片的质量，并输入相应数值； 输入计算“拉力”的自由表达式“f=9.8*x0/1000”（n），得出实验结果，如图1所示；图1 加速度与力的关系测量实验结果 点击“坐标绘图”按钮，选择x轴为“f”，y轴为“a”，发现所测实验数据在坐标系中基本上是呈线性分布，点击“直线拟合”按钮，该直线基本上是通过原点，说明在质量不变的情况下，拉力与加速度成正比关系，如图2所示。图2加速度与力的关系图线分析(2) 加速度跟质量的关系 用天平称量出滑块的质量（本次试验为219.5g）； 调整气垫导轨水平； 将小钩码（约30g）悬挂在导轨末端下方，并通过牵引绳与滑块连接，对滑块施加拉力使滑块滑动； 在滑块上放置不同质量的砝码，保证其他条件不变，测出滑块质量发生变化时对应的不同加速度。 在“计算表格”中，定义变量“m1”代表法码质量，并输入其值。输入自由表达式“m=（219.5+m1）/1000”表示滑块与法码的总质量。输入自由表达式“x=1/m”。得出实验结果见图3；图3 滑块质量逐次增加时加速度的变化 点击“坐标绘图”按钮，选择x轴为“m”，y轴为“a”得到如图4的结果；图4 加速度与质量的关系图线 如上图所示，测量获得的数据点在坐标系中的排列体现出明显的双曲线特征； 重新选择x轴为“1/m”，发现所测实验数据在坐标系中基本上是呈线性分布，点击“直线拟合”按钮，该直线基本上是过原点的，如图5； 图5加速度与质量的倒数关系图线 分析上述结果，说明加速度a与滑块的总质量m的倒数成正比，即加速度a则与滑块质量m成反比。3定律导出 (1) 加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，即牛顿第二定律的基本关系式fma (2) 上式可写为等式f=kma，式中k为比例常数如果公式中的物理量选择合适的单位，就可以使k=1，则公式更为简单。 在国际单位制中，力的单位是牛顿。牛顿这个单位就是根据牛顿第二定律来定义的：使质量是1kg的物体产生1m/s2的加速度的力为1n，即1n=1kgm/s2。 可见，如果都用国际单位制中的单位，就可以使k=1，那么公式则简化为f=ma，这就是牛顿第二定律的数学公式。 (3)当物体受到几个力的作用时，牛顿第二定律也是正确的，不过这时f代表的是物体所受外力的合力。牛顿第二定律更一般的表述是： 物体的加速度跟所受的外力的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。 数学公式是： f合=ma。 4对牛顿第二定律的理解 牛顿第二定律是由物体在恒力作用下做匀加速直线运动的情形下导出的，但由力的独立作用原理可推广到几个力作用的情况，以及应用于变力作用的某一瞬时还应注意到定律表述的最后一句话，即加速度与合外力的方向关系，就是说，定律具有矢量性、瞬时性和独立性，所以掌握牛顿第二定律还要注意以下几点： (1)定律中各物理量的意义及关系 f合是物体(研究对象)所受的合外力，m是研究对象的质量，如果研究对象是几个物体，则m为几个物体的质量和。a为研究对象在合力f合作用下产生的加速度；a与f合的方向一致。 (2)定律的物理意义 从定律可看到：一物体所受合外力恒定时，加速度也恒定不变，物体做匀变速直线运动；合外力随时间改变时，加速度也随时间改变；合外力为零时，加速度也为零，物体就处于静止或匀速直线运动状态。 牛顿第二定律以简单的数学形式表明了运动和力的关系。 5巩固练习 (1)从牛顿第二定律知道，无论怎样小的力都可以使物体产生加速度。可是我们用力提一个很重的物体时却提不动它，这跟牛顿第二定律有无矛盾？为什么？ 答：没有矛盾，由公式f=ma看，f合为合外力，无论怎样小的力都可以使物体产生加速度，这个力应是合外力。现用力提一很重的物体时，物体仍静止，说明合外力为零。由受力分析可知fn-mg=0。 (2)对一个静止的物体施加一个力，物体一定做加速运动，对吗？ 答：略。理由同上。 (3)下面哪些说法不对？为什么？ a物体所受合外力越大，加速度越大 b物体所受合外力越大，速度越大 c物体在外力作用下做匀加速直线运动，当合外力逐渐减小时，物体的速度逐渐减小 d物体的加速度大小不变一定受恒力作用 答：b、c、d说法不对。根据牛顿第二定律，物体受的合外力决定了物体的加速度。而加速度大小和速度大小无关。所以，b说法错误物体做匀加速运动说明加速度方向与速度方向一致。当合外力减小但方向不变时，加速度减小但方向也不变，所以物体仍然做加速运动，速度增加。c说法错误。 加速度是矢量，其方向与合外力方向一致。加速度大小不变，若方向发生变化时，合外力方向必然变化。d说法错。 (三)课堂小结(可引导学生总结) 1这节课以实验为依据，采用控制变量的方法进行研究。这一方法今后在电学、热学的研究中还要用到。我们根据已掌握的知识设计实验、探索规律是物体研究的重要方法。 2定义力的单位“牛顿”使得k=1，得到牛顿第二定律的简单形式f=ma。使用简捷的数学语言表达物理规律是物理学的特征之一，但应知道它所对应的文字内容和意义。 3牛顿第二定律概括了运动和力的关系物体所受合外力恒定，其加速度恒定；合外力为零，加速度为零。即合外力决定了加速度，而加速度影响着物体的运动情况因此，牛顿第二定律是把力和物体的运动构成一个整体，其中的纽带就是加速度。 五、说明 1通过定律的探求过程，渗透物理学研究方法，是整个物理教学的重要内容和任务。本节内容即为一典型探求过程：运用控制变量、实验归纳的方法研究三个变量的关系。这种方法在热学中研究p、v、t三量关系，在电学中u、d、e的关系等都要用到。这是人类认识世界的常用方法。所以本节课不只是让学生掌握牛顿第二定律，更应知道定律是如何