2. 探究加速度与力、质量的关系教学设计一等奖

验证牛顿第二定律的实验设计

教材分析

实验是物理这门学科的基础，对培养学生严谨的科学态度有重要的作用，也是每年高考考察的重点。这就需要学生不仅会动手解决书本上的基础实验，还希望学生在平时的学习生活中，经过一段时间的学习与思考能在书本实验的基础上，自主设计实验来验证书本上的结论，以培养学生敢于质疑、不断求索的精神。

此次实验课的目的在于提高学生学习物理的兴趣。通过实验设计能使学生深入理解F=ma中，F的意义；控制变量法的运用；对各种实验设计中会出现的系统误差或偶然误差有较清晰的认识；同时也考察学生在新情景下的实验探究能力。

学情分析

本节课是在学生已完成书本上的探究实验又经过两个星期的学习基础上，而衍生出来的一节实验课。

学生在一段时间的学习后对F、m、a三者都有了一个更深层次的理解，对本次实验的设计也有了很长时间的推敲和思考。所以对本节课实验过程做好了铺垫，对实验设计和操作成功具有重要的作用。

教学目标

知识与技能

（1）熟练操作各种实验仪器，能处理突发状况，解决一般的实验偶然误差；

（2）从实验技巧、实验仪器、实验原理上对经典实验进行改进

（3）对实验设计中出现的系统误差有合理的解释

过程与方法

学生自主设计、学生自主简介实验设计思路、学生动手实验、教师实验设计方案展示

情感与态度

（1）养成使学生会运用实验手段来处理物理问题的基本程序和技能；养成敢于质疑的习惯；培养严谨求实的态度和不断求索的精神。

（2）培养学生观察能力、思维能力和操作能力。提高学生对物理学习的动机和兴趣。

教学重点

1

动手实验验证自己的设计方案

教学难点

（1）解决实验过程中的一般实验误差

（2）实验中的系统误差来源分析

教学方法和程序

分组讨论设计、探讨、归纳、教师展示数字化实验

教学过程

教学事件顺序

事件1

复习上一节实创设情境、引入新课

回忆、同学回答

教学任务及实现途径

教师活动

预测学生活动

验课、引入新课

展示学生的实验设计，选择其中设计者简介实验两组并请设计者上台简介实验方方案，其他学生会案

有疑问，允许提问

设计意图：学生自主展示方案，提高学生的自豪感、引起其他学生的兴趣

事件2 学生自主实验

实验过程中老师只做最基本的辅会遇到各种各样助，充分尊重学生实验的主动性

操作上的、理论上上的问题

设计意图：尊重学生实验的主动性，尽可能地让学生自己在实验中去探究，通过他们自己的讨论、思考去解决问题

事件3 展示实验成果、教师主导学生提出问题、解决问有的问题简单，大解决实验中出题。

现的问题

家都能解决；有的涉及原理或者方案的问题会比较难，需要实验设计者们讨论解决

设计意图：让同学们各抒己见，经历了这样的过程，学生的思维能力、论证推断能力能得到充分的训练，对所解决的问题的认识能更加深刻

事件4 教师展示数字实验仍然由学生参与操作，教师对力传感器在本

2

化实验

只负责数据的录入与处理

实验中的运用有一个深刻的映像

设计意图：在新教学仪器的展示中，提出新的方案，能极大的调动学生的兴趣，拓展学生的思维

事件5 老师小结并布总结三个方案的问题，对学生提

置课后任务

出要求，课后完成实验报告

设计意图：强调科学实验中要有严谨的科学态度，通过实验操作和严谨的逻辑思维找出问题的关键，并加以解决。

教学反思

通过物理实验，学生能有效的获得学习物理知识的感性材料，加深对物理概念和规律形成过程的理解，学会使用基本仪器并进行实验的方法和技能，能培养学生的观察能力、思维能力、实践操作能力。

因为是自己设计的实验，学生的参与度较高，能获得较高的自我认同感，对其他的学生也是一个很好的促进作用。

备课资料

3

4

验证牛顿第二定律F 、m 、a三者之间关系的实验设计

实验目的

设计实验验证牛顿第二定律

实验准备

控制变量法

在这个实验中，先保持_____________不变，研究加速度与力的关系；再保持__________不变，研究加速度与质量的关系。

实验中力F的含义是物体所受的合力，在实验中由什么来代替？为什么？

实验中的质量M的含义的物体的质量，在本次实验中应该怎么表述？为什么？

实验器材

气垫导轨、滑块、遮光条、光电门两个、电脑式数字毫秒计、小型气源、小桶、砝码若干、细线、天平

实验步骤

一、调节光电计时系统

将气垫导轨上的两个光电门引线接入电脑式数字毫秒计后面板的P1、P2插口上，打开电脑式数字毫秒计电源开关。将气垫导轨气源接通，用适当的力推动滑块一下，使它依次通过两个光电门，看电脑式数字毫秒计是否能正常记录时间，若不正常请检查遮光片是否遮光及检查光电管照明是否充分。

二、调节气垫导轨

1、静态调平（粗调）

调节导轨底脚螺丝使滑块在导轨上无定向的自然运动，也就是滑块能静止在导轨上，可以认为导轨被初步调平

2、动态调平（细调）

用适当的力推动滑块一下，使它依次通过两个光电门，要求滑块通过两个光电门的时间Δt1和Δt2相对差异小于1%。否则应继续调节导轨底脚螺丝，直至达到要求。

三、验证牛顿第二定律

1、物体系的总质量M一定，验证外力与加速度成正比

（1）在导轨上固定两个光电门，将线一端系在滑块上，另一端通过气垫导轨与砝码盘相连。在滑块上放置几个砝码，砝码盘上放一个砝码。

（2）滑块置于远离气垫导轨滑轮的另一端，由静止释放，在砝码盘及一个砝码所受重力作用下，滑块作均加速直线运动，由计数器测量出加速度a1，重复测量几次。（注意：滑块释放的初位置必须一致，靠近气垫滑轮的光电门安放位置要合适，防止滑块尚未通过此光电门而砝码盘已落到地面上）。

（3）将一个砝码从滑块上取下，放入砝码盘中，重复上述实验步骤，测出滑块加速度a2. （4）再将滑块上的另一个砝码取下，也放入砝码盘中，仍然重复上述实验步骤，测出滑块加速度a3. （5）记录m1、m2和M的值，计算出作用力F1、F2和F3（m2指砝码盘及盘中砝码的质量之和，M为滑块、砝码盘及盘中砝码的质量之和）。

系统质量M

加速度

5 加速度平均值

拉力

2物体系所受外力F一定，验证物体系的质量与加速度成反比

（1）在砝码盘中放入一个砝码，测出在此作用力下，质量为m1的滑块运动的加速度a。

（2）保持砝码盘中的砝码不变（外力一定），将一质量为m1’

的砝码放在质量为m1的滑块上，测出在此作用力下，滑块组运动的加速度a’。

（3）以上测量重复进行几次。记录m2的值并求出物体系的总质量M和M’。

系统质量M

加速度

加速度平均值

拉力

6

注意事项：

1、用游标卡尺测出遮光片的宽度

2、用天平秤出滑块的质量，以及加重物的质量

3、两个光电门放在气垫导轨的大致中间位置，相距50厘米

4、气垫导轨调水平，先粗调后细调

5、在砝码盘上加一个2g砝码，然后将细线跨过气垫导轨与滑块相连。将滑块移至远离滑轮的一端等砝码盘稳定后松手。每次相同初始位置，重复5次。

6、计时器显示的时间以毫秒为单位，十进制单位换算时有效数字的位数不变。

7、2g、5g的砝码当做常数，运算时有效数字的位数可不考虑

8、先通气源再放滑块，加减砝码时应取下滑块，做完实验先收滑块再关气源

实验结论

7

验证牛顿第二定律F 、m 、a三者之间关系的实验设计

实验目的

设计实验验证牛顿第二定律

实验准备

控制变量法、直观对比法

在这个实验中，先保持_____________不变，研究加速度与力的关系；再保持__________不变，研究加速度与质量的关系。

实验中力F的含义是物体所受的合力，如果装置处于粗糙的水平面上，那么绳的拉力就是物体所受的合力吗？如何才能做到呢？

实验器材

两个相同的小车，两个小桶，两个一端附有定滑轮的长木板，砝码若干，细线，夹子，天平，刻度尺，小木块（垫长木板用）

实验步骤

探究加速度与力的关系

1、用天平分别测量出小车、砝码、小桶的质量，并记录下它们的质量

2、把一端附有滑轮的长木板放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面，把两个相同的小车放在平板上，前端各系一条细绳，绳的另一端跨过定滑轮各挂一个小桶

3、将木板无滑轮的一端稍微垫高一些，用重力的分力来抵消摩擦力，直到小车不挂重物时也能匀速运动为止。

4、两个相同的小车后各系一条细绳，一起被一个夹子夹着而静止，在两个小桶里面放上不同的砝码，以两者重力近似为绳的拉力记录在表格中。

5、松开夹子，使两小车在小桶和砝码牵引下同时开始由静止做匀加速运动。关上夹子，两小车同时停下来。

6、用刻度尺测出两小车通过的位移并记下数据

7、改变两小桶中的砝码，重复上面的实验。

8、用横轴表示两车拉力之比

次数

1 2 3 4 5 小车1 拉力F1

位移x1

F2F1

,用纵轴表示两车位移之比x2x1，作出图像

小车2 拉力F2

位移x2

探究加速度与质量的

关系

8

1、两个相同的小车一起被一个夹子夹着而静止，保持两小车所挂的小桶和砝码的重力相同，在两个小车上放上不同砝码，并以此作为小车质量记录在表格中。

2、松开夹子，使两小车在小桶和砝码牵引下同时开始由静止做匀加速运动。关上夹子，两小车同时停下来。

3、用刻度尺测出两小车通过的位移并记下数据。

4、改变两小车上的砝码，重复上面的实验。

5、用横轴表示两车质量之比

1 2 3 4 5 小车1

m1m2，用纵轴表示两车位移之比x2x1，在图中作出图像

小车2

次数

质量m1

位移x1

质量m2

位移x2

注意事项

1、牵引小车的砝码应有10g、20g、50g等规格。没有小规格砝码，可用沙桶装沙替代，质量用天平称量

2、探究加速度与力的关系：小车质量为180g，两车上面均可加100g左右的砝码。保持其中一个小车所挂砝码不变，另一个小车所挂砝码逐渐加大，但不要过大，砝码质量过大，会使图像线性变差。

3、探究加速度与质量的关系：一车质量固定为300g，另一车质量可自180g起，逐次增加砝码至700g-800g，牵引小车的砝码以30-40g为宜。小车质量过大，夹子不容易夹住车后拖线，造成位移误差。

4、注意小车运动停止的位置不能与定滑轮相碰。实验中如果小车碰到定滑轮才松手让夹子夹住拖线，则与定滑轮相碰的小车位移偏小而产生误差。

实验结论

9