沪科版必修1 5.2探究加速度与力、质量的关系 教案.doc

教学设计52 探究加速度与力、质量的关系本节内容是典型的探究性实验内容，新课程标准十分注重科学探究在课程中的作用，在内容安排中，不断向学生渗透这种科学探究的思想。在本节中，学生第一次遇到用实验探究一个物理量同时跟两个物理量有关的多元问题，所以应引导学生去寻找研究问题的实验方法控制变量法，即先保持一个物理量不变，研究另外两个物理量间的关系。如本节课中，先保持物体的质量不变，研究它的加速度跟外力的关系；再保持外力相同，研究物体的加速度跟它的质量的关系。使学生研究问题时逐渐形成控制变量的思想。学生在前面已经学习过加速度是描述速度变化快慢的物理量，从上一节“牛顿第一定律”中知道力是改变物体运动状态的原因，对加速度与力、质量的定性关系有一定的理解。牛顿第二定律是动力学的核心规律，是本章的重点和中心内容，而探究加速度与力和质量的关系是得出牛顿第二定律的重要铺垫。关于该实验的器材，因第一章使用过，学生自然会想到用该器材测量加速度，并求解加速度a。数据完全可由计算机处理，af、a1/m图像由计算机处理作出，收到事半功倍的效果。该实验是探索规律的实验，学生对加速度与力和质量之间的定量关系并不知道，但通过实例，对加速度与力和质量的定性关系是可以理解的。定量研究需在教师指导下，学生动手、动脑来进行，教师只是一个引导者、评判者，只要学生的设计方案合理，亲身体验探究过程，那么能否得出结果关键在于教师的引导。三维目标知识与技能1学会用控制变量法探究加速度与力和质量的关系。2能熟练地应用图像法分析处理数据。3从实验中得出加速度与力成正比，与质量成反比。过程与方法1通过演示实验及数据处理，培养学生观察、分析、归纳、总结的能力；通过对实际问题的处理，培养学生良好的书面表达能力。2渗透物理学研究方法的教育。采用控制变量法研究物体的a、f、m三个物理量之间的关系；运用列表、画图法处理数据，使学生知道结论是如何得出的；使学生认识到实验归纳总结物理规律是物理学研究的重要方法。情感、态度与价值观1培养学生认真的科学态度和严谨有序的思维习惯。2在整个教学过程中，让学生学会发现、分析、研究等方法，培养学生的科学探究能力。教学准备1准备学生分组实验：气垫导轨、光电门、木板、小车、打点计时器、电源、细线、钩码、天平、刻度尺、纸带。2根据学生能力进行合理分组，让每个组中都有不同层次的学生。教学流程教学过程创设情境，导入新课：多媒体展示生活中的图片，引导学生思考物体运动的加速度与力和质量的定性关系。(1)情境1【提出问题】仔细观察上图，从静止开始，用相同的力将三辆质量不同的车从相同的起点推到终点，谁先到？为什么？【结论】学生讨论：力相同，质量不同，丙图的加速度最大，丙图先到。设计说明：通过图片中的问题，激发学生的兴趣。(2)情境2【提出问题】仔细观察上图，从静止开始，甲、乙、丙分别用依次增大的力将三辆质量相同的车从相同的起点推到终点，谁先到？为什么？【结论】质量相同，丙图的力最大，加速度最大，丙图先到。(3)情境3【提出问题】仔细观察上图，从静止开始，甲、乙、丙分别用不同的力将三辆质量不同的车从相同的起点推到终点，谁先到？为什么？【结论】质量不同，力不同，无法判断哪个加速度大，无法确定谁先到。【提出问题】由牛顿第一定律知道，力是改变物体运动状态的原因。请问：运动状态的改变指什么物理量的改变？通过观察和体验，猜想物体运动状态变化的快慢，即加速度与哪些因素有关？可能有怎样的关系？让学生总结影响加速度的因素是：合外力f、物体的质量m。推进新课1研究问题的方法当某个物理量可能与几个因素有关系时，我们通常使用控制变量法。假设加速度a与质量m及合外力f都有关，要确定它们的关系，就必须运用控制变量法，保持其中一个量不变，研究另外两个量之间的关系。(多媒体向学生介绍)【实验方法】控制变量法(1)控制质量m不变，探究加速度a与合外力f的关系；(2)控制合外力f不变，探究加速度a与质量m的关系。【设计与提示】要测定小车的加速度，必须首先测定哪些物理量？小车运动的位移s；小车运动位移s所用时间t。【加速度的计算】实验所采用的设计不同，小车加速度的计算方法不同。(1)保持质量不变，探究加速度与合外力的关系；(2)保持合外力不变，探究加速度与质量的关系。设计说明：用初中学过的控制变量法来探究新的问题，提升学生对已学知识的应用能力，增强学生发现新规律的兴趣。2选定实验方案可以提供探究的猜想环节，让学生分组设计不同的实验方案。实验设计要有利于改变测量m、f、a三个物理量。实验中，关键是如何测量f和a，(多媒体投影)下面提供的实验装置供选用。(1)直接利用斜面装置测量：【方法一】实验装置如图小车位移s由斜面一侧的刻度尺直接读出；小车运动时间t由秒表测出。【问题】如何实现变量控制？【注】小车加速度的计算式：a。(2)使用打点计时器其中，m与f都有直接测量的工具；a虽不能直接测量，但可以利用打点计时器在纸带上打出的点，通过计算得出。以小车、打点计时器、纸带、长木板、细线、小桶、钩码、砝码、刻度尺、天平为器材，研究小车的运动。用天平测出小车的质量m，算出砝码的总重力mg，将其当作小车受到的拉力f，从打点计时器打出的纸带上测出x，由xat2计算出小车的加速度a。(投影)【方法二】实验装置如图小车位移s由刻度尺从纸带上直接测出；小车运动时间t由纸带测出。【问题】如何实现变量控制？【注】小车加速度的计算式：a。(3)利用气垫导轨测位移【方法三】实验装置如图小车位移s由气垫导轨一侧刻度尺直接读出；小车运动时间t由电子计时器测出。【问题】如何实现变量控制？【注】小车加速度的计算式：a。(4)使用气垫导轨和光电门装置测速度其中，m与f都有直接测量的工具；a虽不能直接测量，但可以利用光电门测量速度，通过计算得出a。【方法四】实验装置如图小车附载遮光板的宽度s由刻度尺直接读出；遮光板通过光电门的时间t由电子计时器测出；分别计算出遮光板通过光电门的速度v1、v2；两个光电门之间的距离由气垫导轨一侧刻度尺直接读出。【问题】如何实现变量控制？【注】小车加速度的计算式：a。以滑块、气垫导轨、细线、小桶、钩码、砝码、天平为器材，研究小车的运动。用天平测出小车的质量m，算出砝码的总重力mg，将其当作小车受到的拉力f，根据两个光电门测出的速度以及物体通过两个光电门之间的时间，根据a计算出小车的加速度a。(5)利用dis传感器直接测量【方法五】实验装置如图小车位移s由位置传感器直接自动测出；小车运动时间t由传感器脉冲时间自动给出。【问题】如何实现变量控制？【说明】利用2、3、4套实验方案时，只要重物的质量远小于小车的质量，那么可近似认为重物所受的重力大小等于小车所受合外力的大小。让学生认清实验误差(系统误差)。在学生交流讨论实验设计的方案中，要有较充分的时间让他们对各种方案阐述自己的观点，反思方案中的问题，同时教师要参与学生的讨论分析，启发引导学生形成较为完善的实验方案。同时应注意有些学生可能有别的方案，要鼓励和认真对待，在课堂时间不足的情况下，可在课外指导学生去探究。在设计测拉力的方法时，教师要告诉学生：把小桶和小桶中砝码的总重力mg当作研究对象受到的拉力f，这是有条件的，即mm。同时，可以把这一条件作为学生的课外探究课题。在实验中，只需测出小桶的质量，然后通过加减小桶中砝码的质量来改变对研究对象的拉力，这可以节约测量砝码所需的时间。3准备实验，采集数据有条件的学校可以采用分组的方法，根据不同的实验器材，请各组同学根据自己桌子上的器材设计实验，分别研究加速度与力和质量的关系。(1)保持m不变，探究m一定时，a与f的关系保持小车与车中砝码的质量不变，通过改变小桶中的细砂质量以改变对小车的拉力，根据纸带上的点痕，依次测出小车在不同拉力作用下的加速度，并把各组数据填入表1中。表1 m一定，不同f对应的a实验序号123456拉力f/n加速度a/(ms2)(2)保持f不变，探究f一定时，a与m的关系保持小桶中细砂的质量不变，改变小车中的砝码数量。同理，依次测出小车不同质量时的加速度，填入表2中。表2 f一定，不同m对应的a实验序号123456质量m/kg/kg1加速度a/(ms2)【设计说明】通过数据处理，提高学生的数据分析能力和作图能力。利用描点作图法得出实验探究的结论，让学生亲身体验科学探究成功的乐趣，提高学生应用图像的能力。4实验数据处理与评估根据所得数据，描点作图。利用图像处理数据是一种常用的重要方法。将实验中得到的数据通过描点作图，可以非常直观地看出两个物理量的关系，也可以有效地减少实验误差，确定并排除实验中测得的一些错误数据。(可用计算机进行数据采集处理实验数据，完成两个物理量关系的图像，最终得出结论。)用表1和表2的数据，在方格纸上画出a-f和a-的图像。根据对图像的分析，你能得到什么结论？学生活动：每个小组派代表发言，发言后，师生对其进行评价，尤其注意图像的画法是否正确、规范。参考：【提出问题】根据你的实验数据和画出的图像，你能得出af、a的结论吗？说明：分析图像时可抓住以下几点：化曲为直：将am图像转换成a-图像讨论。图像不过坐标原点，分析截距的意义，说明是何原因引起的。实验时没有考虑小车质量与小桶质量间的关系，得到的图像会在上部发生弯曲，教师可先定性地引导学生分析，等牛顿第二定律公式出来后再讨论。学生活动：由于摩擦力造成的影响，对比各组图像，分析讨论图像中有的图像未过坐标原点的原因。如何消除摩擦力的影响？5实验结论(1)质量一定的情况下，加速度a与作用力f成正比，写作：af，即；(2)在作用力f一定的情况下，加速度a与物体质量m成反比，写作：a，即。由此总结出牛顿第二定律：物体的加速度跟受到的作用力成正比，跟物体的质量成反比，用公式表示为a，fma改写为等式：fkma。其中k为比例常数，与公式中各物理量的单位选取有关。(投影)【探究实验结论】加速度a与物体所受合外力f成正比，即af；加速度a与物体质量m成反比，即a。即afmafkma。52 探究加速度与力、质量的关系1猜想与假设加速度与所受合外力成正比加速度与物体的质量成反比2设计方案(1)当质量一定时，加速度和合外力之间的定量关系(2)当合外力一定时，加速度和质量之间的定量关系3实验探究分析论证(1)a-f图像是一条过原点的倾斜直线(2)a-1/m图像是一条过原点的倾斜直线(3)af或fma4写成等式fkma。教学反思通过牛顿第二定律的探究过程，渗透物理学研究方法，是整个物理教学的重要内容和任务。本节内容即为典型的探究过程：运用控制变量、实验归纳的方法研究三个变量之间的关系。这种方法在后面热学中研究p、v、t三量之间的关系，在电学中研究u、d、e的关系时都要用到。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得出的。本节课教学设计为创设问题情境，让学生主动参与探究加速度、质量、力三者关系的全过程，在实验方案设计分析、应用图像探究规律等问题解决的过程中，较为关注学生自己的观点，让学生在问题讨论中完善自己的观点，学习应用物理和数学的方法研究自然规律，有效地培养学生的实验设计能力、观察能力、分析能力、解决问题的能力以及合作交流的能力。教师在实验完成后的一句话“本实验只是让我们对于自然规律的探究有所体验，实际上一个规律的发现不可能是几次简单的测量实验就得出，还需要通过大量的实验事实来论证”，充分体现了注重对学生进行科学态度和科学精神的教育。本节课教学设计注重学生学习过程的亲身体验，体现了“做中学”和“关注学生能力发展”的教学思想。其主要特点是：1本节课把牛顿第二定律分为两个课时，改演示实验为学生分组探究实验，让学生有较充分的时间进行实验探究，有利于培养学生的能力。2利用cai课件和计算机来处理实验数据，能节约时间，提高学习效率；同时在课堂中采用多媒体课件作为辅助手段，创设物理情景，启发引导学生，帮助学生建立形象直观的认识，有利于调动学生学习的积极性。3在学法上突出学生自主发现问题、开展合作探究、进行实验探索、引导分析总结等以学生为主体的特点。尤其关注课堂教学过程中学生个体差异产生新的教学资源并较好地进行利用，运用评价手段不断引导学生学习，较好地将新课程理念结合于教学实际中。本节课教学设计内容充实，在实验操作能力、分析归纳能力层面上对学生要求较高，课堂中学生出现的不确定因素也较多，要求教师要有较高的驾驭课堂能力。一、研究牛顿第二定律的其他实验方案介绍(1)利用斜面平衡小车所受的摩擦力的方法应让学生搞清为什么要平衡摩擦力，如何才能较好地达到平衡？怎么知道已达到平衡？通过分析使学生知道小车受到的阻力是包括车受的摩擦力和打点计时器对车后所拖纸带的摩擦力，为了使车产生的加速度的合外力只等于绳子对它的拉力，必须平衡摩擦力。具体做法是：在车后拖上纸带，并在打点计时器打点时使用。用手给小车一个初速度，如果在纸带上打出的点的间隔基本上均匀，就表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面的分力平衡。打点计时器工作时，振针对纸带的阻力是周期变化的，所以难以做到重力沿斜面的分力与阻力完全平衡，小车也不是严格的匀加速运动，这一点实验之后再分析。(2)mm可以减小由fmg引起的误差。m表示砂和砂桶的质量，m是小车与砝码的质量，应让学生了解为什么实验中认为绳子拉力f等于砂和砂桶的重力mg会引起误差。以砂和砂桶为研究对象，当桶拉着小车向下做匀加速运动时(如图)，根据牛顿第二定律有mgfma，可见fmg。为了减小fmg引起的误差，实验中必须满足mm。在验证m一定、a与f成正比时，m可取600800g，在验证f一定、a与m成反比时，m可在5001 000 g之间，m最好不超过100 g。为什么只有满足mm时，可以减少误差？解决这个问题需要研究连接体问题，所以这里不适合讲，在学完本章后，可以作为一个例题，讲明拉力应该是fmg，因此，当mm时，fmg，由于此连接体的加速度的方向不同，超出中学教学要求，讲它的目的，旨在使学生懂得为什么在实验中要mm，不要求学生会解这类题，也不要求会讲mm的理由。(3)采用a-1/m图像的优点本实验采用图像法得出m一定，a与f成正比；f一定，a与m成反比的结论，但是具体做时，不用am图像，而是采用a-1/m的图像来分析实验结果。这是由于由实验数据画出a-m的图像是一条曲线，难以判定它所对应的函数关系，而a-1/m的图像是一条直线，结果清晰明了。(摘自人民教育出版社出版高中物理第三册教学参考资料第27至28页)二、关于“探究加速度与力、质量的关系”的三个问题问题1：在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，小车和砝码的质量为什么要远大于砂和砂桶的总质量。分析：在做a-f关系实验时，用砂和砂桶重力mg代替了小车所受的拉力f，如图1所示：图1而砂和砂桶的重力mg与小车所受的拉力f并不相等。这是产生实验系统误差的原因，为此，必须根据牛顿第二定律分析mg和f在产生加速度问题上存在的差别。实验时可得到加速度与力的关系图像，如图2所示，由图像经过原点知，小车所受的摩擦力已被平衡。设小车实际加速度为a，由牛顿第二定律可得：mg(mm)a，即a图2若视fma，设这种情况下小车的加速度为a，则a。在本实验中，m保持不变，a与mg(f)成正比，而实际加速度a与mg成非线性关系，且m越大，图像斜率越小。理想情况下，加速度a与实际加速度a差值为a由上式可见，m取不同值，a不同，m越大，a越大，当mm时，aa，a0，这就是要求该实验必须满足mm的原因所在。由图2还可以看出，随着f(mg)的增大，加速度的实验值与理想值之间的差别越来越大。本实验是因原理不完善引起的误差，实验用砂和砂桶的总重力mg代替小车的拉力，而实际小车所受的拉力要小于砂和砂桶的总重力，这个砂和砂桶的总质量越接近小车和砝码的总质量，误差越大，反之砂和砂桶的总质量越小于小车和砝码的总质量，由此引起的误差就越小。即此误差可因为mm而减小，但不可能消去此误差。问题2：在利用打点计时器和小车做“加速度与力、质量的关系”的实验时，实验前为什么要平衡摩擦力？应当如何平衡摩擦力？分析：牛顿第二定律表达式fma中的f，是物体所受的合外力，在本实验中，如果不采用一定的办法平衡小车及纸带所受的摩擦力，小车所受的合外力就不只是细绳的拉力，而应是细绳的拉力和系统所受的摩擦力的合力。因此，在研究加速度a和合外力f的关系时，若不计摩擦力，误差较大，若计摩擦力，其大小的测量又很困难；在研究加速度a和质量m的关系时，由于随着小车上的砝码增加，小车与木板间的摩擦力会增大，小车所受的合外力就会变化(此时长板是水平放置的)，不满足合外力恒定的实验条件，因此实验前必须平衡摩擦力。图3应如何平衡摩擦力？怎样检查平衡的效果？有人是这样操作的：把如图3所示装置中的长木板的右端垫高一些，使之形成一个斜面，然后把实验用的小车放在长木板上，轻推小车，给小车一个沿斜面向下的初速度，观察小车的运动情况，看其是否做匀速直线运动。基本可看做匀速直线运动，就认为平衡效果较好。这样操作有两个问题，一是在实验开始以后，阻碍小车运动的阻力不只是小车受到的摩擦力，还有打点计时器限位孔对纸带的摩擦力及打点时振针对纸带的阻力。在上面的做法中没有考虑后两个阻力。二是检验平衡效果的方法不当，靠眼睛的直接观察判断小车是否做匀速直线运动是很不可靠的。正确的做法是：将长木板的末端(如图中的右端)垫高一些，把小车放在斜面上，轻推小车，给小车一个沿斜面向下的初速度，观察小车的运动，当用眼睛直接观察可认为小车做加速度很小的直线运动以后，保持长木板和水平桌面的夹角不动，并装上打点计时器及纸带，在小车后拖纸带，打点计时器开始打点的情况下，给小车一个沿斜面向下的初速度，使小车沿斜面向下运动。取下纸带后，如果在纸带上打出的点子的间隔基本上均匀，就表明小车受到的阻力跟它的重力沿斜面的分力平衡。打点计时器工作时，振针对纸带的阻力是周期性变化的，所以，难以做到重力沿斜面方向的分力与阻力始终完全平衡，小车的运动也