第二节实验：探究加速度与力和质量的关系教学设计

第四章第三节牛顿第二定律（一）教材分析牛顿第二定律是在实验基础上建立起来的重要规律，它是动力学的核心规律，也是学习其它动力学规律的基础。在《普通高中物理课程标准》共同必修模块“物理1”中涉及本节的内容有：“在实验基础上得出牛顿第二定律，会应用牛顿第二定律解决力学和运动学习题，体会牛顿第二定律的桥梁作用。”（二）教学目标知识与技能：1、掌握牛顿第二定律的文字内容和数学公式

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

4、会用牛顿第二定律的公式进行有关的计算过程与方法：过程与方法：1、以实验为基础，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

2、能从实际运动中抽象出模型并用第二定律加以解决情感态度与价值观：1、渗透物理学研究方法的教育

2、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（三）教学重点难点教学重点：（1）牛顿第二定律

（2）牛顿第二定律的应用教学难点：牛顿第二定律的应用教学难点的突破措施：在教材处理上把牛顿第二定律分为两个学时。第一学时主要的任务是：探究加速度与力、质量的关系；第二学时主要的任务是：建立牛顿第二定律并进行初步的应用。本节课是第一学时，主要采用以下的教学策略：1．自主学习与合作探究建立好牛顿第二定律的表达式后，可以选取代表性的习题，在此基础上，让学生总结应用第二牛顿运动定律的步骤2．现代教学手段与启发式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，调动学生学习的积极性，有效地提高学习效率。（四）教具教学设备：多媒体教室、课件。学生分组实验器材（探究包）：气垫导轨、气源、两个光电门和与之配套的数字计时器，滑块、滑片、细线、小桶、天平、砝码、细沙、弹簧秤、小车、木块、钩码、一端带有滑轮的长木板、打点器、纸带、秒表、毫米刻度尺、垫木、橡皮筋等。（五）教学过程导入情境视频展示：刘翔在雅典奥运会夺金的情景。教师：在决赛时，刘翔将自己身上一切戴的东西像手表、项链等都摘了下来，穿最轻的跑鞋。这样做的科学道理在哪里？预测学生讨论后得出的结论可能是：___________________________。质量越小，运动状态越容易改变，也就是说在相同的情况下，物体获得的加速度就越大。说明通过视频展示创设物理情景，激发学生的学习兴趣，同时渗透德育教育。进行新课一、提出猜想教师：那么、物体的加速度与哪些因素有关呢？请同学们从生活经验出发提出自己的看法，并举例说明。（同时教师利用课件提供一些图片，对学生进行启发。）附图片内容如下：★为何体操，跳水运动员的身材都比较苗条、瘦小？★从防止发生交通事故的角度考虑，说一说反超载的道理？★F1方程式赛车的质量只有一般小轿车质量的三分之一，这样做有什么好处？★神舟五号飞船返回仓返回时为何要打开降落伞？预测学生有代表性的回答可能有以下几方面：（教师在学生分析的过程中板书归纳。）1．与物体受到的外力的关系：①与物体受到的外力有关；例如：骑自行车刹车：用力刹车时，用的力越大、车越容易停下来，即：阻力越大，自行车减速的加速度越大。②与物体受到的外力无关；例如：用大小不一样的力推大石头，推不动，运动状态不变，加速度为零。③应该是与物体受到的合外力有关；分析如下：用大小不一样的力推大石头，推不动，是因为大石头同时受到摩擦力的作用，受到合外力为零，因此、加速度也为零。2．与物体质量的关系：与物体的质量有关；例如：人分别用相同的力推自行车和摩托车时，自行车比较容易加速启动，而摩托车则较难。也就是说在相同的情况下，质量较小的自行车获得的加速度就较大。3．与物体运动的速度的关系：①与物体的速度有关；例如：速度大的物体较不容易停止运动，而速度小的物体较容易天下来。②与物体的速度无关；例如：做匀速直线运动的物体不论速度大小，加速度都为零。③与物体的速度无关；分析如下：加速度是描述速度变化快慢的物理量，从公式可知，加速度与速度的大小无关。引导学生总结得出猜想：物体的加速度只与它所受合外力和物体本身的质量有关。说明学生在生活中对“影响物体加速度大小的因素”有所认识，但这些认识往往是片面的、不准确的。因此要让学生充分地表达已有的认识，在这过程中教师利用课件提供一些图片，对学生进行启发，引导他们不断修正自己的观点，从而形成对科学的认识。引导学生结合前面学习的知识（牛顿第一定律等），讨论猜想的科学依据所在，从而确定：物体的加速度只与它所受合外力和物体本身的质量有关。说明：让学生从理论的角度加以分析有利于培养学生理论联系实际的能力，有利于培养学生的逻辑思维能力。引导学生深入探究：与和的定量关系。二、探究a与F、m的定量关系1．确定研究方法教师：我们应该采用什么样的物理方法来研究与、的定量关系呢？预测学生的分析可能如下：分两步进行研究：①保持研究对象的质量一定时，研究加速度和合外力的关系；②保持研究对象受到的合外力一定时，研究加速度和质量的关系。然后综合两次的研究结果，进行推理和归纳，便可找出与、三者之间存在的关系。教师在确定研究方法后，简单地介绍“控制变量法”。说明初中阶段学生曾多次应用过控制变量法。如果学生回答有误，教师启发学生回忆：研究电流与电压和电阻这三者关系所采用的方法。2．设计实验方案教师进一步引导学生设计实验方案。让学生以小组为单位设计探究方案：包括使用哪些实验器材，如何进行操作，如何采集数据等？（要求学生把设计的方案简要地写在纸上）。教师巡视给予必要的指导。选择较有代表性方案的小组派代表上台简要叙述本组设计的方案（用实物投影仪把学生写在纸上的方案投影出来），让全班同学进行交流。大家在互相启发、补充的过程中形成较为完善的方案。预测学生设计的实验方案可能是：方案一：用小车、电火花打点计时器、纸带、长木板、细线、小桶、钩码、天平、砝码、刻度尺、垫木等器材，研究小车的运动。用天平分别测出小车的质量，测出小桶的质量与小桶中砝码，把小桶与小桶中砝码的总重力当作小车受到的拉力，从打点计时器打出的纸带上测量并算出，由计算出小车的加速度。方案二：以气垫导轨、气源、两个光电门、数字计时器、滑块、滑片、刻度尺、细线、小桶、砝码、天平为器材研究滑块的运动。用天平测出滑块和滑片的质量滑块M，测出小桶与小桶中砝码的质量，把小桶与小桶中砝码的总重力当作滑块受到的拉力，用光电门和数字计时器自动测出滑块运动经过两个光电门时的速度、，以及这一过程所用的时间t，再通过公式算出滑块的加速度。说明：①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。②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。③在设计测拉力的方法时，教师要告诉学生：把小桶与小桶中砝码的总重力当作研究对象受到的拉力、这是有条件的，即<<。同时可以把这一条件作为学生的课外探究课题。④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．进行实验探究和数据处理①引导学生从实验误差、实验操作等方面来分析比较两种方案的差别。师生共同确定用“方案二”进行实验探究，同时确定实验的具体步骤和注意事项。并用课件显示实验的具体步骤和注意事项。说明“方案二”便于操作，且实验误差较小。用课件显示具体的实验步骤，有助于学生较为规范地完成实验。②介绍并演示CAI课件的功能Ⅰ．数据计算：将测出、、t等数据输入计算机的数据处理表格后、计算机将自动算出相应的加速度，将输入计算机后将自动算出合外力；Ⅱ．自动描点连线制图的功能；Ⅲ．通过网络可达到数据共享。③学生以小组为单位，分工合作进行实验探究，并把实验数据输入计算机（使用移动PC并接入校园网）。教师巡视，注意学生仪器使用是否得当，必要时给予指导。④调用多组学生的实验数据，让学生分析与、与的定量关系。初步得出：与F成正比，与成反比（与1/成正比）。⑤引导学生应用CAI课件，采用图象法处理实验数据。师生共同得出结论：与成正比、与成反比。说明：在CAI课件中定义坐标轴的数值和单位，同时调用已存的实验数据，计算机将在坐标系中自动描点、连线得到实验数据的关系图象，由此判断数据的关系。其中与的关系可转变为与1/的关系来做图。（四）回顾总结深化认识学生回顾本节课的探究过程以及探究过程中使用的物理思想和方法，归纳总结这节课的知识要点，提出自己在学习中存在的疑问。教师答疑，深化知识。三．课堂小结通过实验得到：物体的加速度跟所受合力成正比，跟物体的质量成反比。课后作业：本节课后练习（六）教学评价基础练习（6个）1.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,当作用力一定,探究加速度与质量的关系时,以下做法正确的是()A.平衡摩擦力时,应将穿过打点计时器的纸带固定在小车上B.每次改变小车的质量时,不需要重新平衡摩擦力C.实验时,先放开小车,再接通打点计时器的电源D.实验数据处理时应作am图象寻找加速度与质量的关系2.在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中,下面的说法中正确的是()A.平衡摩擦力时,托盘应用细线通过定滑轮系在小车上,但托盘内不能装砝码B.实验中应始终保持小车和砝码的质量远大于托盘和砝码的质量C.实验中如用纵坐标表示加速度,用横坐标表示小车和车内砝码的总质量,描出相应的点在一条直线上,即可证明加速度与质量成反比D.平衡摩擦力时,小车后面的纸带必须连好,因为运动过程中纸带也要受到阻力3.“探究物体的加速度与力、质量的关系”的实验也可以不测加速度的具体数值,通过测出两个初速度为零的匀加速运动在相同时间内发生的位移x1、x2来测量不同情况下物体加速度的比值,此比值QUOTE=.

如果a图象是通过坐标原点的一条直线,则说明.

A.加速度a与质量m成正比B.加速度a与质量m成反比C.质量m与加速度a成反比D.质量m与加速度a成正比4.某同学做“探究加速度与力、质量的关系”的实验,使用的器材有:带滑轮的长木板、小车及往小车上摆放的大砝码、细线、小盘及往小盘里放的小砝码、打点计时器等.(1)他以小盘和盘内砝码的总重力作为细线对小车的拉力F,测出不同拉力F对应的加速度a的值,并把各数据标在aF坐标系上,发现它们都在一条直线的附近,这条直线不过坐标原点,如图甲所示,产生这种情况的原因是什么?甲答:.

(2)经过调整后,该同学作出的aF图象如图乙中的A所示,另一位同学使用同一套仪器作出的aF图象如图乙中的B所示,则mAmB(选填“>”“=”或“<”).

乙5.某学生用如图甲所示实验装置做“探究加速度与力、质量的关系”实验,保持小车的质量不变,测得小车的加速度a和拉力F的数据如下表所示.甲F/N0.200.300.400.50a/(m·s-2)0.100.210.290.40乙(1)根据表中的数据在图乙中画出aF图线.(2)把图线延长,看看图线是否通过原点?如果不通过原点,试分析在操作过程中可能遗漏了哪个步骤:6.用如图所示的装置来探究物体的加速度与力、质量的关系.实验时,小盘和砝码牵引小车,使小车做初速为零的匀加速直线运动.(1)此实验中可以不测量加速度的具体值,原因是:.

(2)通过改变,就可以改变小车所受到的合力.

(3)在探究加速度与质量的关系时,分别以为纵坐标、为横坐标作图象,这样就能直观地看出其关系.

基础过关（6个）1、在探究a与F、m关系的实验中，下列说法中正确的是()A.平衡摩擦力时，小桶应用细线通过定滑轮系在小车上，但小桶内不能装砂子B.实验中无需始终保持小车和砝码的质量远远大于砂子和小桶的质量C.实验中如用纵坐标表示加速度，用横坐标表示小车和车内砝码的总质量，描出相应的点在一条直线上时，即可证明加速度与质量成反比D.平衡摩擦力时，小车后面的纸带必须连好，因为运动过程中纸带也要受到阻力2．某学生在做“探究加速度与力、质量的关系”的实验时，在平衡摩擦力时把长木板的一端垫得过高，使得倾角偏大。他所得到的a-F关系图象应是下列哪一个？(a是小车的加速度，F是细线作用于小车的拉力)()3．在“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，备有下列器材：A.电火花计时器；B.天平；C.秒表；D.交流电源；E.电池；F.纸带；G.细绳、砝码、钩码、滑块(可骑在气垫导轨上)；H.气垫导轨(一端带定滑轮)；I.毫米刻度尺；J.小型气泵。(1)实验应选用的器材有______________；实验研究的对象______________________。(2)本实验分两大步骤进行：①_______________________；②________________________。4．在研究物体的“加速度、作用力和质量”三个物理量的关系时，我们用实验研究了小车“在质量一定的情况下，加速度和作用力的关系”；又研究了“在作用力一定的情况下，加速度和质量之间的关系”．这种研究物理问题的科学方法是()A.建立理想模型的方法B.控制变量法C.等效替代法D.类比法5．探究物体的加速度与力、质量的关系实验中，

(1)在探究物体的加速度与力的关系时，应保持__________不变，分别改变施加在物体上的水平拉力F，测出相对应的加速度a。

(2)为了更直观地反映物体的加速度a与物体质量m的关系，往往用二者的关系图象来表示，该关系图象最好应选用__________。

A．a-m图象

B．m-a图象

C．a-图象

D．图象6．用斜面、小车、小盘、砝码、打点计时器等做“探究加速度与力、质量的关系”的实验中，得到如图所示的纸带，相邻计数点间的时间间隔为T，且x1、x2、x3、…、x6已测量出。请写出计算加速度的表达式能力提升（2个）1.现要验证“当质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一物理规律.给定的器材如下:一倾角可以调节的长斜面(如图所示)、小车、计时器一个、刻度尺.填入适当的公式或文字,完善以下实验步骤(不考虑摩擦力的影响):(1)让小车自斜面上方一固定点A1从静止开始下滑至斜面底端A2,记下所用的时间t.(2)用刻度尺测量A1与A2之间的距离x,则小车的加速度a=.

(3)用刻度尺测量A1相对于A2的高度h,设小车所受重力为mg,则小车所受的合外力F=.

(4)改变,重复上述测量.

(5)以h为横坐标、为纵坐标,根据实验数据作图.如能得到一条过原点的直线,则可以验证“当质量一定时,物体运动的加速度与它所受的合外力成正比”这一规律.2.在“探究加速度与力、质量的关系”实验中.(1)某组同学用如图所示装置,采用控制变量的方法,来研究在小车质量不变的情况下,小车的加速度与小车受到力的关系.下列措施中不需要或不正确的是.A.首先要平衡摩擦力,使小车受到的合力就是细绳对小车的拉力B.平衡摩擦力的方法是,在塑料小桶中添加砝码,使小车能匀速运动C.每次改变拉小车的拉力后都需要重新平衡摩擦力D.实验中,通过在塑料桶中增减砝码来改变小车受到的拉力E.每次小车都要从同一位置开始运动F.实验中应先放小车,然后再接通打点