《实验：探究加速度与力、质量的关系》教学案例及教学设计：探究加速度与力、质量的关系

《实验：探究加速度与力、质量的关系》教学案例摘要：高中物理新课标提出，高中物理课程有助于学生继续学习基本的物理知识与技能；体验科学探究过程，了解科学探究方法；增强创新意识和实践能力，发展探索自然、理解自然的兴趣与热情。为此，新教材中专门编入了探究课，这也是新教材的特色之一。如何上好探究课，充分发挥其功能。本案例以新教材必修1第四章第二节《实验：探究加速度与力、质量的关系》为例，沿提出问题，猜想与假设，设计实验，进行实验，数据处理与分析，反复验证，得出结论的思路进行设计，以学生为主体，充分发挥其主动性，并用计算机对数据进行分析处理，集科学性、方法性于一体，供参考。教学目标：一、知识目标：(1)理解力是使物体产生加速度的原因、质量是惯性大小的量度；(2)知道得出加速度和力的关系的实验，理解加速度和力的关系；(3)知道得出加速度和质量的关系的实验，理解加速度和质量的关系。二、能力目标通过实验研究总结出加速度和力、质量的关系。培养学生的实验能力、概括能力和分析推理能力。三、德育目标体会探究过程中的所用的科学方法；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；建立严谨的科学实验观。教学重点：1、指导学生找到探究加速度与力、质量的关系的思路和方法2、怎样提供和测量物体所受的力教学难点：让学生通过实验探究得出数据并对数据进行处理，进而自己归纳出a与F和m的关系是本节的难点。教学仪器：多媒体、小车、一端带滑轮长轨道、钩码、刻度尺等。教学过程(一)引入新课[教师]牛顿第一定律告诉我们物体在不受力的情况下保持的运动状态是静止或匀速运动。那么，同学们考虑过没有物体在受到力的情况下的运动状态是怎样的呢？这节课我们就来研究问题。[教师]用多媒体投影机出示学生思考的问题：1、物体运动状态的改变是指哪个物理量的改变？标志物体运动状态变化快慢的物理量是什么？2、对于任何物体，在它们受到相同作用力时，决定它们状态变化难易程度的唯一性因素是什么？[学生]物体运动状态的改变是速度的改变，标志物体运动状态变化快慢的物理量是加速度。对于任何物体，在它们受到相同作用力时，决定它们状态变化难易程度的唯一性因素是物体的质量。[教师]由上节学习可知：物体的质量越大，物体的运动状态越难改变，物体的质量越小，物体的运动状态越容易改变。请同学们根据上节所学知识猜想：物体的运动状态的变化快慢即物体加速度的大小与什么物理量有关？请同学们举例说明。[学生]加速度的大小可能与物体的质量和受到的力有关。例如，一般小汽车从静止加速到一定速度，只需十几秒的时间，而满载的货车加速就慢得多。比赛用的小汽车，可以在很短时间内达到很快的速度，而一般的小汽车却不能。[教师]刚才同学举的例子很好！请同学们猜想加速度的大小与物体的质量和受力有怎样的定量关系？[学生]物体加速度的大小与物体的质量成正比，和物体的质量成反比。[教师]物体的加速度是否与物体的受力成正比，与物体的质量成反比呢？同学们的猜想是否正确呢？这节课我们通过实验来探求物体的加速度与物体的质量和物体受力的定量关系。(二)教学过程设计1、实验研究方法的确定[教师]加速度的大小既与物体的受力有关，又和物体的质量有关，那么我们应采用什么样的方法来研究加速度的大小与物体的受力和物体的质量之间的定量关系呢？[学生]可以先研究加速度与物体受力的关系，再研究加速度与物体的质量的关系。[教师]很好！当研究三个物理量之间的关系时，先要保持某个量不变，研究另外两个量之间的关系，再保持另一个量不变，研究其余两个量之间的关系，然后综合起来得出结论。这种研究问题的方法叫控制变量法，是物理学中研究和处理问题时经常用到的方法。[教师]用多媒体投影机展示控制变量法的含义。[教师]在这个实验中，我们应怎样用控制变量法来研究加速度与物体的质量和受力之间的定量关系呢？[学生]可以保持物体的质量不变，测量物体在不同的力作用下的加速度，分析加速度与力的关系；也可以保持物体所受的力不变，测量不同质量的物体在该力作用下的加速度，分析加速度与质量的关系。[教师]很好！要研究加速度与物体的质量和受力之间的关系，就需要测量物体的加速度、质量和受到的力。那么，如何测量物体的加速度、质量和受到的力呢？2、研究加速度与质量的关系[教师]质量可以用天平直接测量，那么如何测量一个运动物体的加速度呢？你能想到哪些方法？[学生]思考讨论后回答（1）让物体做初速度为0的匀加速直线运动，用刻度尺测量物体运动的位移，用秒表测量出物体运动的时间，然后由公式算出。（2）让物体做初速度为0的匀加速直线运动，在运动物体上连接一条穿过打点计时器的纸带，根据打点计时器在纸带上打出的点来测量加速度。[教师]同学们想到的这些办法都很好！这些方法的共同特点是直接测出了加速度的大小。另外，还可以用加速度计直接测量。那么不直接测出加速度，我们能否找出加速度与质量之间的定量关系呢？[学生]思考讨论[教师]启发点拔：我们探究的是加速度与其他量间的关系，只要我们测出不同情况下物体加速度的比值就可以了。[学生]=1\*GB3①由加速度的公式，如果测出两个初速度为0的匀加速运动在相同时间内的位移X1\X2，位移之比就是加速度之比=2\*GB3②由加速度的公式，如果测出两个初速度为0的匀加速运动在相同位移内的时间t1\t2,时间反比的平方就是加速度之比[教师]那么我们如何保证两个做匀加速运动的物体运动相同的时间？[学生]让物体同时运动，同时停止。[教师]同学们看看桌面上的实验器材，我们用什么器材使物体同时开始运动，同时停止？[学生]在观察后说出用夹子来控制物体的运动和停止。3、研究加速度与物体受力的关系[教师]在现实中，仅受一个力的情况几乎是不存在的。一个单独的力的作用效果与跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的，因此，在实验中我们只要测出物体所受的合力即可。那么，如何为运动的物体提供一个恒定的合力？又如何测出这个合力呢？[学生]可以在绳的一端挂钩码，另一端跨过定滑轮拉物体，使物体做匀加速运动的力就是物体的合力，这个合力就是钩码的重力。通过测量钩码的重力就可测得物体所受的合力。[教师]这个方案不错。在上面的方案中做匀变速运动的物体，受的合力就是钩码的重力吗？[学生]由于物体在相对运动，还要受到滑动摩擦力。[教师]那么我们如何减小滑动摩擦力，使我们所测得的钩码重力尽可能接近于物体所受的合力？请同学们讨论方法[学生]讨论减小滑动摩擦力的方法（1）使用光滑的木板；（2）平衡滑动摩擦力将木板一端垫高，让物体从木板上匀速滑下，此时物体的重力分力就等于物体所受的摩擦力。[教师]同学想到的这些方法都很好！当我们改变物体受到合力时，物体的加速度也会改变。那么我们如何改变物体所受的合力呢？[学生]改变挂上钩码的个数就可以改变对物体的合力。[教师]下面请同学们根据上面我们讨论的内容选定自己的实验方案进行实验，记录实验数据，并对实验数据进行处理，分析得出实验结论。4、实验数据的处理[学生]将自己实际测得的实验数据拿到多媒体展台上展示分析，说明自己采用的实验方案及对实验数据处理方法，得出的实验结论。[教师]同学们的实验做得都很好！下面我们利用计算机来处理同学们实际测得的实验数据，看看能发现什么规律。[教师]找三组学生的实验数据输入excel，利用计算机做出图象，再次引导学生进行数据分析。[教师]由实验数据来看，同学们的实验数据与猜想相符合吗？如果不相符合，原因是什么？[学生]实验数据与我们的猜想不完全一致，原因是我们采用的实验装置不够精密，实验数据不够准确。5、实验结论及课堂小结[教师]从刚才的实验数据来看，同学们能发现什么规律？[学生]在物体受力一定时，物体的质量越大，物体的加速度越小；在物体的质量一定时，物体受到的力越大，加速度越大。[教师]那么同学们回想一下我们是怎样探讨加速度与力和质量关系的？[学生]先提出猜想，然后进行实验，再对数据进行分析，然后得出结论。[教师]对！这也是科学家得出物理规律的过程。科学家在探讨物理规律的过程中，正是按照以下思路进行的：得出结论直觉猜想进行实验数据分析修正猜想反复验证得出结论直觉猜想进行实验数据分析修正猜想反复验证（三）本课小结教师总结出本节课的内容、方法。师：今天，我们研究了加速度与力和质量的关系。其中，加速度与力、质量的关系是本节课的重点。通过实验得出加速度与力、质量的关系是本节课的难点。本节课更重要的是通过知识的学习与探索使我们获得了一些研究、思考问题的方法。首先，是贯穿在本节课整个探索过程中的思维程序：即“提出问题猜想实验验证得出结论”。对待任何问题，我们在不清楚其原因之前均可大胆猜想它的各种可能性，然后运用物理学的实验方法去检验、验证猜想是否正确，这是一种科学探索的方法。另外，本节课在具体实验过程中还运用了控制变量法和近似处理的方法。即在研究加速度与力和质量关系时，运用了控制变量法；在研究小车受到拉力与钩码重力的关系时，采用近似处理的办法。即只有钩码的质量远小于小车的质量时，才能认为钩码对小车的拉力大小就钩码的重力。思维程序：提出问题猜想实验验证得出初步结论反复验证得出结论板书设计加速度与力的关系探究思路：令质量不变，研究加速度与力的关系。数据处理：以加速度为纵坐标，力为横坐标。结论：质量不变时，加速度与力成正比。加速度与质量的关系探究思路：令力不变，研究加速度与质量的关系。数据处理：以加速度为纵坐标，质量倒数为横坐标。结论：力不变时，加速度与质量成反比。教学设计说明“牛顿第二定律”是高中物理力学部分的重要内容，探究加速度与力、质量的关系的规律是本节课的重点和难点。本节是一节集猜想、实验、物理规律于一身的课，其中探究加速度和力、质量的关系是本节的核心，也是实施新的教学理念的主阵地。在授课中，教师通过教给学生一些有效的科学研究方法和实验方法来发展学生的思维能力和创新能力。教学设计：探究加速度与力、质量的关系江苏省如皋中学【设计思想】本节课是高中物理必修1第四章“牛顿运动定律”第二节的第一课时，第二课时将在第一课时的基础上安排学生实验。牛顿第二定律是动力学的核心规律，是本章重点和中心内容，本节课则从实验角度为后面研究牛顿第二定律做知识铺垫。教学设计采用了“基于问题解决的物理课堂教学模式”。笔者考虑高中阶段教学的实际要求，认为教学设计主要围绕教学的知识、能力目标展开，在参考了有影响的问题解决教学模式后，构建了适合高中物理课堂教学的模式，如图1所示。图1基于问题解决的课堂教学的模式笔者提出该模式的思想：教师要更新教育观念，实现教师角色和行为的转变，以问题为主线，坚持学生的主体地位,充分发挥教师的主导作用，使学生在创设的问题情境中，产生学习的需要，主动探究、亲身体验，并通过合作与交流，完成对知识的意义建构，培养思维能力，提升探究能力。【教学重点】1．如何提供并测量研究对象所受的力。2．如何测量研究对象的加速度。【教学难点】指导学生通过自主学习和小组合作学习，设计实验方案，并讨论可行性。【三维目标】知识与技能1．理解物体的加速度大小与力和质量有关。2．设计实验探究加速度与力和质量的定量关系。3．让学生了解DISLab的构成及实验的过程。过程与方法1．让学生猜想并会用控制变量法研究加速度与力和质量的定量关系。2．指导学生通过自主学习和小组合作学习，设计实验方案。3．通过演示实验验证学生的猜想，激发学生学习的兴趣。4．让学生初步体验科学探究的方法。情感态度与价值观1．通过问题解决教学培养学生的问题意识和问题能力。2．通过合作学习培养学生的合作与交流能力。【实验器材】DISLab（数字化信息系统实验室）力学轨道及附件（其中挡光片宽度0.020m，载重片（45g/片）4片、小车和挡光片（总质量125g）等）、计算机及软件、光电门传感器2个、钩码（10g/个）5个【教学过程】流程内容说明选择问题活动一：回顾知识，提出问题问题1：关于力和运动的关系，下列几种说法中正确的是（C）A．必须有力作用在物体上，物体才运动B．没有力的作用，物体就要逐渐停下来C．必须有力的作用，物体的速度才能改变D．要保持速度不变，必须有力的作用问题2：关于物体的惯性，下述说法中正确的是（C）A．运动速度大的物体不能很快地停下来，是因为物体速度越大，惯性也越大B．静止的火车起动时，速度变化慢，是因为静止的物体惯性大的缘故C．乒乓球可以快速抽杀，是因为乒乓球惯性小D．在宇宙飞船中的物体不存在惯性问题3：物体运动状态改变的快慢用什么物理量来描述？学生：加速度问题4：物体运动状态改变快慢与物体的哪些因素有关？学生：物体的加速度大小与物体的受力和物体的质量有关。问题5：物体质量一定，作用力越大加速度越大吗？举日常生活中的例子说明你的观点。问题6：物体受力一定，质量大的物体加速度小吗？举日常生活中的例子说明你的观点。学生：当物体的质量一定时，作用力大，物体的加速度大。当物体的受力一定时，质量大的物体加速度小。通过问题1、2巩固上节课内容的同时，让学生感受到物体运动的改变与力和质量有关，然后让学生根据日常生活的例子，得到加速度与力和质量的定性关系。表征问题活动二：大胆猜想，设计实验猜想：加速度的大小与合外力、物体的质量应该有怎样的定性关系？学生：（1）加速度随合外力的增大而增大，即加速度可能与合外力成正比；（2）加速度随物体质量的增大而减小，即加速度可能与合外力成反比。问题7：用什么方法研究加速度与力、质量的关系？学生：控制变量法。m一定，a、F的关系；F一定，a、m或a、1/m的关系。问题8：有什么方法可以直观地验证你的猜想？学生：图象法。学生表征问题后首先猜想的应该是最简单的关系——正比关系。解决问题（提出假设）设计实验：实验目的：探究加速度与力、质量的关系实验的大体思路：1．实验准备：（1）研究对象是什么？如何测量研究对象的质量？对应的实验器材？（2）如何提供并测量研究对象所受的力？对应的实验器材？（3）如何测量研究对象的加速度？对应的实验器材？2.实验步骤：（1）m一定，探究a、F的关系。（2）F一定，探究a、m或a、1/m的关系。3.实验的注意事项：4.实验数据的记录与处理：活动三：小组交流，逻辑论证类别其他小组的实验设计思路可行性分析m的测量天平测量√F的测量1.重物的重力（小车和砝码的质量＜＜重物的质量）√2.平衡摩擦力√3.用气垫导轨√4.改变导轨的倾角从而改变F×a的测量1.打点计时器（逐差法）√2.光电门传感器（可以测时间，从而得到挡光板通过光电门的瞬时速度）√3.比较法（初速度为零的匀加速直线运动，加速度比等于位移比，再用控制变量法探究规律。）√4.频闪照相√教学时采取学生先独立探究，然后小组讨论。学生小组内合作学习与小组间实验设计思路的交流时间约25分钟。有些小组提出的实验思路有一定的创新性，培养和激发学生的创新思维也正是基于问题解决的课堂教学的功能之一。表格中的思路是部分小