第四章 运动和力的关系（单元解读讲义）-人教版高中物理必修第一册

第四章运动和力的关系

单元解读

一、课标解读

1.通过实验，探究物体运动的加速度与物体受力、物体质量的关系。理解牛顿运动定律，能用牛顿运动定

律解释生产生活中的有关现象、解决有关问题。通过实验，认识超重和失重现象。

2.知道国际单位制中的力学单位。了解单位制在物理学中的重要意义。

二、单元内容分析

1.本章在高中物理教学中的地位

本章是在前面三章内容的基础上进一步研究运动和力的关系，这是质点动力学的内容。牛顿运动定律

是动力学的核心内容，根据牛顿运动定律可以确定物体位置、速度的变化，控制物体的运动。牛顿运动定

律对直线运动、曲线运动都适用，为便于学生学习，本章只限于讨论物体做直线运动的问题。在学生对牛

顿运动定律基本理解的基础上，在后续的学习中，要研究牛顿运动定律在曲线运动中的应用。

2.本章教学内容的编排

本章先阐述牛顿第一定律，分析、说明牛顿在前人，特别是在伽利略的研究基础上建立了牛顿第一定

律，明确指出牛顿第一定律是牛顿力学的基石。牛顿第一定律提出了两个重要的、基本的物理概念:力和惯

性。本章在阐述牛顿第二定律前设置了一个实验;探窕加速度与力、质量的关系，让学生初步了解牛顿第二

定律有实验基础，在实验的基础上引导学生认识牛顿第二定律。牛顿第二定律是定量的规律，教科书在介

绍了力学单位制和国际单位制后，通过用牛顿运动定律讨论两类基本问题，深化学生对定律的理解。最后

用牛顿第二定律研究了超重、失重问题。

三、单元教学目标

1.强调牛顿第一定律是牛顿物理学的基石

牛顿第一定律揭示了运动和力的关系：力不是维持物体运动状态的原因，而是改变物体运动状态的原因。

因此，它被称为牛顿物理学的基石。正是因为它纠正了长达近两千年的亚里士多德的错误，改变了人类的

自然观和世界观，才导致牛顿第二定律的得出，并使牛顿以新的视角看待引力，进而令人信服地表明，天

上和人间服从同样的力学规律。与此同时，它本身还包含着力、惯性和参考系这些极富成果的科学概念，

成为物理学理论的基石。

2.牛顿第二定律是牛顿物理学的核心

牛顿第二定律具体地、定量地回答了物体的加速度与它所受的力、加速度与物体自身的惯性一质量的

关系，因而成为牛顿物理学的核心。本章牛顿第二定律得出的线索是:学生通过实验探究了加速度与力、质

量的关系，取得数据，画出图像，在寻找出规律性的认识之后，总结出牛顿第二定律。这样做虽然与历史

过程不符，但会使学生感到具本而亲切，获得一种研究问题的体验，进而收获一种习惯，成为一种意识，

培养一种能力。

3.重视科学知识的应用过程

物理学是•门与自然、生活、技术进步和社会发展有着最为广泛联系的科学。让学生封闭在既不联系

自然，也不联系生产、生活，远离科学探究乐趣，甚至根本不可能存在的“思辨游戏”式的难题和怪题的

牢笼之中，他们是不可能热爱物理课程的。但是，另一方面，对于学生而言，一道好的习题就是一个科学

问题，犹如一个科学问题对于科学家而言，就是一道习题一样。从地面上各种物体的运动到天体的运动;从

自行车到火车、汽车、飞机等交通工具的运动;从投出篮球到发射导弹、人造卫星、宇宙飞船……所有这些

问题，都是与牛顿力学相联系的，牛顿第二定律在其中举足径重。科学教育应该引导学生用获取的知识和

研究方法去审视、发现和解决与这些问题相联系的习题，并且在解决习题时应重视过程而不应只重视结果。

4.注重渗透物理思想、物理方法

例如理想实验作为一种科学的思维方法，在物理研究中具有十分重要的地位和作用。木章展示了伽利

略斜面理想实验的猜想依据、设计思路、推断结果这一套思维过程，使学生领悟理想实验在物理学发展中

的重要性，因此在本章中应当注重渗透物理思想和物理方法。

四、单元重点难点

1.牛顿第一定律

是牛顿物理学的基石，它不仅揭示了运动与力的关系，更是明确提出了惯性的概念和力的概念。教师

在教学中应该不只要求学生对定律内容的掌握，还应该注意让学生理解这两个概念是如何提出的：定律中的

“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”，直接揭示了所有物体具有的一个重要属性一惯性;定律

中的“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”实际上提出了力的概念，并明确了力是改变物体运动

状态的原因，而不是维持物体运动状态的原因。

2.牛顿第二定律

教科书中牛顿第二定律的内容以两节的形式呈现，其目的是要强调实验探究的重要性和突出牛顿第二

定律在力学中的重要地位。教学重点是正确理解并运用牛帆第二定律，教学难点是体会牛顿第二定律是确

立运动与力之间关系的桥梁，体会定律中的因果性、瞬时性等特征。由于牛顿第二定律在力学中的基础地

位，以及后续学习中会经常用到牛帧第二定律解决问题，因此对该定律的理解和运用就显得至关重要，而

对定律的理解需要教师不断引导，才能引发学生的思考。

3.力学单位制

力学单位制对于帮助学生认识不同单位之间的关系、准确使用和表示单位有着重要作用。学生在初中

阶段对物理单位更多的是感性认识，比如对牛顿、帕斯卡、安培、伏特、焦耳、瓦特等单位的规定，学生

并不容易理解。通过力学单位制的学习，帮助学生体会物理量单位的命名和使用规则，体会到进行单位规

定的合理性和方便性。

4.动力学两类基本问题

教师应该引导学生体会到加速度是联系运动和力的桥梁和纽带。在牛顿第二定律公式和运动学公式中,

均包含有一个共同的物理量-加速度。因此，求加速度是解决有关运动和力问题的基本思路，正确的受力分

析和运动过程分析则是解决问题的关键。

基于以上分析，本节的教学重点是应用牛顿运动定律解决实际问题，难点是在应用过程中灵活选择方法，

比如建立恰当的坐标系进行解题。

5.超重与失重

学习牛顿运动定律及应用牛顿运动定律解决问题是本章的核心内容，因此应用规律分析超重和失重现

象自然是本节的教学重点。由于超重和失重现在已经演化成了生活语言，与物理学中超重和失重本来的意

义有较大的不同，因此引导学生对超重和失重的物理内涵有清晰的认识是本节的教学难点。

五、单元课时安排

节次课题课时数

第1节牛顿第一定律1课时

第2节实验：探究加速度与力、质量的关系1课时

第3节牛顿第二定律1课时

第4节力学单位制1课时

第5节牛顿运动定律的应用1课时

第6节超重与失重1课时

六、教学建议

1.第一节牛顿第一定律

对于理想斜面实验这部分内容的教学中，虽然学生理解伽利略的理想实验并不困难，但是学生对理想

实验的抽象过程、结合推理获取结论的难度以及其意义可能会认识不够。教师可以引导学生认识到，在没

有力的概念的时代，能意识到摩擦对运动的影响本身就不容易，而创造出实验加推理的研究方法获得与实

际生活经验相矛盾的正确规律就更不容易了。伽利略的理想斜面实验虽然是理想实验，但它反映了一种物

理思想，是建立在可靠的事实基础之上的。从实际状况到理想实验是一个以事实为依据、抓住主要因素、

忽略次要因素的抽象过程，并以此深刻地揭示了自然规律。

对于牛顿第一定律，它是牛顿物理学的基石，不仅揭示了运动与力的关系，更是明确提出了惯性的概

念和力的概念。教师在教学中应该不只要求学生对定律内容的掌握，还应该注意让学生理解这两个概念是

如何提出的:定律中的“•切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态”，直接揭示了所有物体具有的一个

重要属性••惯性;定律中的“除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态”实际上提出了力的概念，并明

确了力是改变物体运动状态的原因，而不是维持物体运动状态的原因。

对于惯性与质量，教师可以在教学过程中针对学生可能出现的错误，引导学生结合实际生活中的例子

来理解惯性这个概念。让学生理解运动状态的改变所包含的不同情况:速度大小的改变、速度方向的改变、

大小和方向同时改变。以此来让学生理解惯性与物体是否受力无关、与物体的速度大小无关。

教师还可以通过实例让学生明白，惯性在不同的状态下表现出来的形式不同，但都是抵抗运动状态改

变的“能力”。当物体不受外力时，惯性表现为保持原来的运动状态不变；当物体受到外力作用时，惯性表

现为改变物体运动状态的难易程度，即物体的惯性越大，它的运动状态越难改变。

惯性的大小取决于物体的质量。教师可以通过列举生活实例，帮助学生理解:相同状态下不同质量的物

体运动状态改变的难易程度不同，质量大的难改变。在引导学生对质量概念理解的同时进行科学本质的教

育，即人们对科学概念的认识是一步步深入的。

2.第二节实验：探究加速度与力、质量的关系

教科书引导学生从牛顿第一定律出发，提出探究加速度与力、质量关系的必要性，并从实验思路设计、

物理量的测量、实验过程和数据分析几个方面引导学生完成探究。实验的基本思路对于学生来说并不困难,

因此整个教学过程应该更加重视让学生体会探究的实质：鼓励学生提出科学问题；设计更多的实验方案（并

不一定全都实施）；引导学生解决实验中遇到的问题;尝试用多种方法处理数据，基于实验数据得出结论；以

及培养学生对探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。

本节的重点是让学生经历加速度与力、质量关系的探究过程，体会探究的本质，培养学生提出问题、

批判性思维、交流和合作等能力。由于学生在此前的学习中经历了多次探究实验学习，因此在本节教学中

应该更加注重探究的开放性，显现科学探究的本质。

本节的难点是从实验数据中分析加速度与力以及加速度与物体质量的关系，从图像中发现物理规律,

并通过这种体验提高使用多种方法和手段分析、处理信息的能力。特别是在探究加速度与质量的关系时,

用L的数据作为横坐标来处理数据对学生来说是第•次，思维跨度较大，将对学生的思维和心理产生深刻

加

的影响，如果学生能准确理解，熟练掌握，对以后的学习就奠定了坚实的基础。

3.第三节牛顿第二定律

对于牛顿第二定律的表达式，教师可以通过组织学生展示其上•节探究实验的结果，即依据数据画出

的“产图像和图像、并进行相应的讨论，提出牛顿第二定律的文字表述。在此过程中教师应该提醒学

m

生注意以下几点:①通过共享实验数据，可以更容易找到规律，但是一般性规律的得出是需要以更多的实验

数据和事实为基础的。②实际科研中，误差是要进行较为严格的定量分析的。而在学生的实验数据中，必

然会存在多种误差，比如所画直线不过原点、直线末端数据点明显偏离等，教师需要引导学生讨论并有所

交代。③实验中的力F是用槽码的重力近似替代细线的拉力，但当物体受力不止一个时，牛顿第二定律的

表达式中F指的是物体所受的合力。

经过上面的讨论和分析，学生在己有数学知识的基础上，比较容易写出40•二，并用比例系数k得出

in

尸=不〃。的表达式。通过分享、讨论、分析与点拨，学生能从实验现象和结果总结出一般性的规律，并依据

数学知识得出定律的一般表达式，这有助于让学生体会到科学规律的准确性与严逆性。

教科书中用了两道联系实际生活的例题引导学生利用牛顿第二定律解决问题，期望通过例题的教学能

够让学生掌握利用牛顿第二定律解题的整体思路和解题步骤。在这两道例题的教学中，教师应该注意以下

几点：

①引导学生重视过程的分析，让学生体会牛顿第二定律的桥梁作用。比如在例题1中，先是从物体的

运动状态确定受力，然后从受力情况确定物体的运动状态，这都是通过牛顿第二定律实现的。

②由于这是高中学生第一次接触完整的动力学问题，因此建议教师在学生解决问题的过程中做一些必

要的引导，包括研究对象的选取、对研究对象进行受力分析、理解运算过程中出现的正负号等等。

③教师可以通过例题的分析引导学生理解牛顿第二定律的因果性、同一性、瞬时性、矢量性等特点。

例如在例题1中，由于摩擦力的存在，导致汽车速度的减小（即产生了加速度），引导学生体会受力是因，

产生加速度是果，从而加深对牛顿第二定律的因果性的理解。再例如，在分析汽车的运动过程中，一旦牵

引力消失，汽车的运动状态即刻就会发生相应的变化，这种变化是瞬时的，也就体现了牛顿第二定律的瞬

时性。

4.第四节力学单位制

在基本单位国际单位制这•部分的教学中，教科书通过联系学生熟悉的物理量和单位来说明基本量、

基本单位、导出单位等概念，教师可以通过问题引导学生阅读课文，进行分享、交流和总结，培养学生的

交流、分享和表达能力。力学中的基本量有长度、质量和时间，它们的单位分别是米、千克和秒。通过学

生的举例和推导明确加速度、速度、密度、压强、功、功率等物理最•的单位都是导出单位。

国际单位制的使用和建立，不仅方便了国际的交流，也逐渐成为科学研究中的一种规范。教师应该要

求学生注意学习、逐步习惯，在记录、表达和计算中规范使用。

在这一部分教师还可以通过补充国际单位制的建立过程进行教学。以卜教学片段反映了教师在课堂上

如何引导学生建立基本量、基本单位、导出单位这些概念，如何引导学生理解建立国际单位制的必要性。

5.第五节牛顿运动定律的应用

⑴从受力确定运动情况

在这一部分教师应该先从教科书提供的例题1进行分析•、讲解，引导学生分析、讨论，明确解决问题

的原则，即在物体受力情况已知的情况下，由牛顿第二定律可以求解出物体运动的加速度，再通过运动学

规律就可以确定物体的运动情况。然后再布置学生思考在此原则下独立解决同类型题目的解题规范，通过

以下问题引导学生思考并完成解题过程：

①本题中选择的研究对象是谁？

②研究对象受多少个力的作用？画出正确的受力分析示意图，

③研窕对象的运动情况是怎样的？画出运动过程的示意简图，

④分析已知条件，应该如何求加速度?⑤如何确定研究对象最终的运动情况？

通过上述问题的引导，一来可以帮助学生学会抽象实际问题、建立理想模型，即将例题中的冰壶简化

成质点并按照匀变速直线运动进行处理;二来可以帮助学生按照合理的解题思路形成良好的解题习惯。

(2)从运动情况确定受力

通过对•例题2的分析、讲解，教师可以引导学生自行总结:如果知道了物体的运动情况，根据运动学规

律可以求出物体的加速度，再通过牛顿第二定律就能求出物体所受的合力，结合具体的受力分析，就可以

明确物体的具体受力情况。

在例题2中由于滑雪者在山坡上运动，因此选择合理的坐标系就成了学生解决这个问题的难点。让学

生尝试在水平方向和竖直方向研究人的受力情况，尝试解决问题，学生会发现利用这样的坐标系解决问题

并不简单。例题中待求的物理量是滑雪者对雪面的压力和滑雪者受到的阻力，如果按照水平和竖直的方向

建立直角坐标系，则发现待求的两个物理量均会被正交分解•，显然会增加解决问题的难度。而如果按照平

行于山坡和垂直于山坡来建立坐标系，那么这两个物理量都正好落在坐标轴匕不需要进行分解，解决问

题更方便。在此基础上，教师可以引导学生总结建立坐标系的两个基本原则：•是尽量让更多参与计算的物

理量落在坐标轴上;二是尽量让被求的物理量不被分解。

6.第六节超重和失重

⑴重力的测量

重力的测量这一部分内容提出了在地球表面附近测量重力的两种方法:第一种方法是测量物体质最，再

乘以所测最的重力加速度得到重力；第二种方法是利用力的平衡条件来测最重力。

在教学中，建议教师可以组织学生基于以卜.两个问题阅读教科书:测量物体重力的方法有哪些?测力计

测量物体重力的原理是什么？

（2）超重和失重

在这部分内容中，建议教师在教学中注意以下几点：

第一，建议先让学生亲自参与体验超重和失重的过程，再引导学生应用牛顿运动定律进行分析与解释,

强化学生的体验过程，这有助于激发学生学习的主动性，培养学生应用物理知识解决生活现象的意识。

第二，在引导学生利用牛顿运动定律分析超重和失重的过程中，应该提醒学生正确运用牛顿第三定律。

让学生注意到人加速向下运动的过程中有F<mg,这里的F是体重计给人的支持力，与失重概念中物体对支

持物的压力是互为作用力和反作用力的。

第三，引导学生准确理解超重和失重的概念。学生容易出现“超重是重力增加，失重是重力减少”的

误区。教师可以在引导学生利用牛顿运动定律分析物体受力情况后提出这样的问题让学生来讨论:物体的超

重和失重是物体所受的重力发生了变化吗？

学生经过讨论后会发现，在产生超重和失重现象的过程中，只要物体的位置相对地球没有发生较大的

改变，物体所受的重力并不会改变，只是对支持物的压力或对悬挂物的拉力发生了变化。

第四，在分析超重和失重两种现象的过程中，建议保持学生自主学习的空间。依据学生的条件不同，

可以由教师引导学生分析，或者与学生一起讨论分析超重或失重现象中的一种，而让学生独交分析和推理

另一种现象，培养学生的方法迁移能力。

第五，对于完全失重，可以让学生观看航天员生活的视频，让学生通过更多的途径简单了解。

七、评价策略

一、核心评价理念与原则

1.多维性原则：评价不应只关注知识结论（如F=ma）,更应关注学生建立“力与运动”关系的过程、方法和

思维深度。

2.过程性与终结性相结合原则：既要有关键节点（如实验后、单元末）的终结性测评，也要有贯穿于课堂教

学、实验探究、问题讨论中的过程性评价。

3.发展性原则：评价的目的是为了促进学生发展。应及时提供反馈，帮助学生识别迷思概念，调整学习策略,

建立信心。

4.实践与应用导向原则：评价应包含在真实或模拟情境中应用知识解决问题的能力，体现物理与生活、技术

的联系。

二、多维教学评价策略体系

本评价体系可从以卜.四个维度构建，对应物理学科核心素养。

维度一：物理观念的评价——对“力与运动”关系的理解

评价学生是否形成了正确的牛顿运动定律观念，并能用其解释自然现象。

1.评价目标：能否清晰表述牛顿三定律，理解其内在联系和适用范围；能否用定律定性、定量分析问题。

2.评价方法：

(1)概念辨析题：这些题目能有效暴露学生的前概念和迷思概念。

(2)现象解释题：口试或笔试

(3)概念图绘制：让学生以“运动和力的关系”为中心，绘制概念图，链接“牛顿第一定律”、“牛顿第二定律”、

“牛顿第三定律“、“惯性”、“质量，“加速度”、“超重与失重”等概念。通过连线和注解评价其知识结构化水

平。

维度二：科学思维的评价——建模与推理能力

评价学生能否将实际问题转化为物理模型，并进行科学推理和论证。

1.评价目标：能否对物体进行正确的受力分析和运动分析；能否建立“力二加速度=运动变化”的逻辑链条；

能否处理多过程、多物体问题。

2.评价方法：

(I)典型模型解题能力评估：

斜面模型：分析滑块在斜面上的运动(是否光滑、有无拉力推力)。

连接体模型：分析通过轻绳、轻杆、弹簧连接的物体的加速度与内力。

传送带模型：分析物体在水平或倾斜传送带上的运动(共速前后受力变化)。

评价重点在于分析过程(画受力图、标运动方向、建坐标系、列方程)而非最终答案。

(2)推理论证题：呈现•个有典型错误解法的问题，让学生找出错误并阐明理由。

(3)变式问题解决：改变经典问题的某个条件(如摩擦因数、斜而倾角、外力方向)，考查学生的思维灵活

性和迁移能力。

维度三：科学探究的评价一实验设计与操作能力

本章实验（探究加速度与力、质量的关系）是重中之重，是评价学生科学探究能力的核心环节。

1.评价目标：能否理解实验原理和方法；能否规范操作、获取有效数据；能否处理数据、得出结论并分析误

差。

2.评价方法：

（1）实验方案设计评价：提供器材（气垫导轨、打点计时器、小车、钩码等），让学生书面或口头阐述实验

步骤、如何测量和控制变量（m,F）、如何测量加速度a。评价其方案的科学性、可行性和安全性（如是否

考虑了钩码质量远小于小车质量的条件）。

（2）实验过程观察评价：

操作规范：是否正确安装器材、正确使用打点计时器、正确取点计数。

数据记录：是否如实、清晰、有条理地记录数据，并标注单位。

合作与安全：在小组实验中是否积极参与、有效沟通、注意