2. 探究加速度与力、质量的关系教学实录

实验: 探究加速度与力、质量的关系

高一物理组

授课日期： 2018年11月15日

实验: 探究加速度与力、质量的关系

设计思想

1．引入新的教学理念

新的学科核心素养明确指出物理学科核心素养主要包括：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。因此，本节课的教学设计让学生能够运用科学思维方法，从定性和定量两个方面对a与F、M的关系进行科学推理，让学生具有科学探究的意识，能在观察和实验中发现问题、猜想假设、设计方案、完成实验、处理数据；通过讨论让学生具有交流的意愿和能力，准准确表述、评估和反思探究过程与结果。在探究过程充分体现注重对学生进行科学态度和科学精神的教育。

2．重视实验在物理概念教学中的重要作用

物理知识来源于实践，特别来源于观察和实验。观察现象，进行演示和学生实验，能够使学生对物理事实获得具体明确的认识，这是理解概念和规律的必要基础。对培养学生的观察和实验技能，实事求是的科学态度及引起学生学习兴趣，具有不可代替的作用。

教学内容及学情分析

在必修模块物理1的课程标准中涉及本节的内容有：“通过实验，探究加速度与物体质量、物体受力的关系。理解牛顿运动定律”。本条目要求学生通过实验，探究加速度、质量、力三者的关系，强调让学生经历实验探究过程。

牛顿第二定律是动力学的核心规律，是学习其他动力学规律的基础，是本章的重点内容，它阐明了物体的加速度跟力和质量间的定量关系，是在实验基础上建立起来的重要规律，在理论与实际问题中都有广泛的运用。在教学过程中要创设问题情境，让学生经历探究加速度、质量、力三者关系的过程，可以通过实验测量加速度、力、质量，分别作出表示加速度与力、加速度与质量的关系的图像，根据图像导出加速度与力、质量的关系式。学习过程中引导体会科学的研究方法——控制变量法、图像法的应用，培养观察能力、质疑能力、分析解决问题的能力和交流合作能力．在知识的形成中真正理解牛顿第二定律，同时体验到探究的乐趣。

学生已经掌握了运动学知识、以受力分析为核心的基本力学知识和牛顿运动第一定律，这是本节课展开实验探究的知识基础；而在技能上要求学生具备熟练的实验操作技能。高一学生的分析、推理、抽象思维能力及实验设计操作能力不强，在学习方法、学习习惯、

认识水平方面欠缺，学***。因此，在教学过程中要为学生提供足够的感性材料，实验器材等以丰富学生的物理表象，以学生的兴趣为平台，引导学生探索设计，亲自动手实验，激发学生的物理学习兴趣。

教学方式

教法：本节使用教师引导，学生探究，以实验为主的探究式教学方法。

学法：实验演示与探究、小组合作、启发式教学。将全班同学分组进行实验，并各自对实验数据分析、讨论，得出各个小组的结论，最后全班同学进行探讨性的总结。

实验器材

小车、一端附有滑轮的轨道、细线、钩码、配重、运动传感器、数据采集器、电脑。

教学目标

物理观念：

理解探究加速度与力、质量的关系的合理性和必要性；通过实验认识加速度与质量及力的定量关系。

科学思维：

理解实验思路的合理性、使学生初步掌握利用控制变量法来研究物理问题的方法、以及用图像处理实验数据的有效性。

科学探究：

经历实验的设计、操作和测量过程，体验平衡摩擦力的操作方法，体验整个探究过程的科学严谨性和合理性。提高学生的实验操作技能，培养学生观察分析归纳总结的能力；通过图像处理实验数据的过程，使学生了解用Excel电子表格处理实验数据和运用坐标纸描点作图法处理数据的方法，从而建立牛顿第二定律。

科学态度与责任：

培养学生认真的科学态度，严谨、有序的思维习惯；通过学生实验培养学生的团结合作精神和协作意识，敢于提出与别人不同的见解、勇于修正错误。 教学重点难点

教学重点

教学难点

利用控制变量法，通过实验探究，建立牛顿第二定律。

设计实验方案及对实验数据的处理。

教学过程

教学活动

学生活动

设计意图

引入新课

讲授新课

定性探究

定量探究

【复习导入】

提问：由牛顿第一定律可知物体运动状态发生变化的原因是什么? 哪一个物理量是描述物体运动状态的改变的物理量呢? 引导：物体运动状态的改变即物体速度发生变化，也就是指物体产生了加速度。由于力是改变物体运动状态的原因，即可得到力是物体产生加速度的原因。

提问：物体运动状态改变的难易程度与哪个物理量有关？弄清物体的加速度是由哪些因素决定的，具有十分重要的意义。

【讲授新课】

探究加速度a跟力F、物体质量m的关系

1．定性讨论a、F、m的关系

回忆并回答：力是使物体运动状态发生变化的原因．描述物体运动状态的改变是指物体速度发生了改变。 由惯性和质量的关系得知决定物体运动状态改变的难易程度的惟一因素是质量。

通过图片事例，分小组讨论定性解决问题。

猜想：

创设学习情境，通过知识回顾理论上找到影响加速度的因素。

通过对教科版教材中所提供的图片事例进行分析，把物理学习和学生引导学生总结出定性的结论：a与F、m有关系，当m一定时F越大，a就越大；当F一定时，m越大，a就越小。

2．定量研究a、F、m的关系

（1）设计实验方案

肯定学生回答的基础上，提问：如何定量地研究a与F成正比，

的现实生活a与m成反比。

联系起来，

理解控制变量达到启发学生回忆已有知识，激发学习兴趣和求知欲。

a与F、m的关系呢?指出刚才大家在定性讨论a、F、法。

m三者关系时，就已经采用了控制变量法，它是研究

多变量问题的一种重要方法。

通过讨论得出控制变量法，了解和熟悉控制质量和力的方法，为突破教学难点做好心里的和实际操作的铺垫的。实现授之以鱼，不如授之以渔之目的。

鼓励学生积极思考，优进一步引导，使学生明确要在实验中研究a、F、

m的关系必须有办法测出a、F、m。

教师介绍实验桌上提供的实验器材及相应的测量作用（特殊介绍运动传感器：可以通过与数据采集器相连直接将小车在运动过程中位置、瞬时速度等物理量在电脑程序中直接呈现，软件可以直接作出速度时间图像，通过对图像拟合函数可以获得小车每次运动的加速度）。

让学生根据给定的器材设计实验方案

，并在小组讨论基础上，全班交流。在大家互相启发、补充的过程中形成较为完善的方案。

对学生设计的实验方案进行引导：小车在运动过程中会受到摩擦力，就会产生实验误差，为了让细线对小车的拉力为小车所受的合外力。因此就得想办法消除摩擦力的影响，那么如何消除摩擦力的影响呢? 平衡摩擦力方法：将轨道不带定滑轮的一侧垫起，轻推小车，小车能在轨道上匀速运动，通过传感器数据采集获得小车的速度时间图像为平行于t轴的直线。

说明：只需平衡一次摩擦力即可。

（2）进行实验探究

为了让学生能有条不紊地进行实验，教师示范一组实验的操作过程和记录实验数据的过程。

【研究内容一】

控制小车及配重码（ 个）的质量M一定：

改变F=mg（改变拉动小车的钩码个数:每个10g）

【数据记录】

根据实验器材特点讨论平衡摩擦力的办法

化组合，设

计科学合理的实验方案

在此实验过程中，在发展学生实验能力的同时，培养学生的合作意识和能力。

【数据处理】

【数据处理】

不放弃传统描点作图的方式，提升作图能力。

同时使学生学会运用Excel电子表格处理实验数据，更加快捷方便获取实验结论。

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。

1.通过在坐标纸上描点画出a－F图像进行分析

在描点画图2.应用Excel进行实验数据处理

时，让学生体会为什么要让描出的点尽可能多地分布在某一直线的两侧。

通过老师演【实验结论】当小车质量一定时：小车的加速度与其所受的合外力成正比关系。

【研究内容二】

控制F（拉动小车的钩码 个）一定：

改变小车的质量（改变车上配重个数：每个250g=0.25kg）小车质量m车=255g=0.255kg。

【数据记录】

示，了解Excel作图的方法及优势。

通过画出a－M图像进行分析，只能得出当F一定时，M越大a就越小的结论。能不

能就此马上断引导学生对数据进行分析，能不能猜想a与M言a与M成反成反比?如何证明这种猜想是否正确?请思考讨论。将比?让学生展a-M图像转换成a-1/M的图像。

开讨论。

得出结论

延伸拓展

【实验结论】当小车所受合外力一定时：小车的加速度与其质量成反比关系。

3．牛顿第二定律

通过大量的实验探究得到加速度与力、质量的关系是：物体的加速度跟所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，这就是牛顿第二定律。

牛顿第二定律也可用数学公式来表示：

a∝F/m或F∝ma

通过图像转换确实实验得到的a与1/M的图像的直线是接近过原点的，实验误差允许范围内a与M是成反比（F一定时）的。

认识规律、理解规律。

这里开展一系列讨论的目的是为了让学生体会从a－M图像转化到a－1/M 图像的意义，认识图像法描述物理规律的作用。

实验探究过程充分体现了注重对学生进行科学态度和科学精神的教育。

根据实验结论总结规律，培养学生自己总结知识的能力和表述知识的能力。

上式可改写为等式：F＝kma，式中的k是比例常数。

本实验只是让我们对于自然规律的探究有所体

了解规律形成验，实际上一个规律的发现不可能是几次简单的测量的并不是简单实验就能得出，还需要通过大量的实验事实来论证。

的几次测量，【课堂小结】总结本节课的体会和收获。

【课下作业】

1.思考：小车和配重总质量M与钩码质量m之间的大小关系对本实验结论的形成是否有影响？

2.设计一个验证a、F、M关系的实验

3.观察生活中和牛顿第二定律相联系的现象并尝试解释生活现象。

体会规律形成过程。

学生课外活动

教学特色与反思

本节课首先应用传感器呈现速度与时间的关系，并通过拟合函数图像得到小车运动的加速度，进而通过学生作图得到加速度与力、质量的关系，打破传统教学模式，让学生在探究中寻找规律，有效的提升了学生的实验探究能力。教学设计规整，探究与验证相结合不分家，从定性到定量，水到渠成，轻松得到牛顿第二定律，在生成规律之后又对学生做科学态度与责任的教育：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能得出，还需要通过大量的实验事实来论证。

其次，对课堂生成的“平衡摩擦力”问题处理得当，让学生有延伸思考，在设计实验之初，老师指出需要平衡摩擦力及其原因，但在学生动手实验时又没做特殊强调，导致学生的实验数据与作图和预期的图像并不完全吻合，a与F图像不过原点，有一定的截距，给学生的思维带来了一定的冲击，老师课堂灵活应变，引导学生分析，进而延伸解决学生的问题，让学生再次明确要尊重实验事实，做理论分析。

本节课值得反思之处即为在得到实验数据作图分析之后没能更好的引导学生去对自己的数据图像进行阐述和说明，即本节课确实有效的培养了学生设计实验和动手实验的科学探究能力，但对于科学思维的培养并没有达到预期的设计，再之后的教学中还应更多的注意到这一点，给学生更多的展示和留白的机会。

另外，本节课在设计引课时可加入物理学史部分内容，如从亚里士多德的“力是维持物体运动的原因”，到伽利略的理想斜面实验与合理外推，再到笛卡尔对伽利略的观点进行完善，最后到牛顿对力和运动关系的总结与归纳，更好的展现前人对力和运动观的认识，引入本节课实验探究，从有设想到有想法，有心路历史，更能水到渠成，且发展了学生科学态度与责任的物理核心素养。

如果时间允许的情况也可以在本设计中加入一个演示实验，即教材中呈现的一个传统实验，夹子夹住两辆小车，控制小车的运动相同的时间，通过位移来替代测加速度，进而比较加速度与力、质量的定性关系，让传统与创新相结合，让学生了解替代法，更好的理解定律本身。

附件：学生学案

4.2实验: 探究加速度与力、质量的关系

班级：

姓名：

【学习目标】

1．通过实验探究认识加速度与力、质量的定量关系。

2．通过设计实验、操作过程、数据处理来提高自己的观察能力、实验操作及分析能力、推理能力、归纳总结能力。

3．通过学习，了解人类认识自然规律的方法和过程。

4．实验过程中注重团结协作，合理分工，提高效率。

【复习提问】

1．由牛顿第一定律可知物体运动状态发生改变的原因是什么?

2．哪一个物理量是描述物体运动状态改变的物理量呢?

3．物体运动状态改变的难易程度与哪个物理量有关？

【定性讨论】

【定量研究】

平衡摩擦力

目的：

方法：

说明：

【实验记录及数据处理】

1.控制小车及配重码（

个）的质量M一定：

改变F=mg（改变拉动小车的钩码的个数:每个10g）

【实验结论】

2.控制F（拉动小车的钩码

个）一定：

改变小车的质量（改变车上配重个数：每个250g=0.25kg）

小车质量m车=255g=0.255kg（M=m车+m配重）

【实验结论】

【归纳总结】牛顿第二定律

【课下作业】

1.思考：小车和配重总质量M与钩码质量m之间的大小关系对本实验结论的形成是否有影响？

2.设计一个验证a、F、M关系的实验。

3.观察生活中和牛顿第二定律相联系的现象并尝试解释生活现象。