3. 牛顿第二定律教学设计实例

《牛顿第二定律》

教学设计

叶红梅

四川省成都市第八中学

《牛顿第二定律》教学设计

教学

课题

学习任务分析

《牛顿第二定律》［普通高中必修第一册第三章第三节］

教材分析

牛顿第二定律是动力学核心规律，是本章的重点和中心内容，在力学中具有基础和关键的地位。教材用两组实验分别探索了加速度与力，加速度与质量间的定量关系，然后总结出牛顿第二定律及其数学表达式，最后概述了牛顿第二定律的意义，并用一道例题反映了应用牛顿第二定律的思路和方法。

学生根据已有的知识和生活经验，能较容易地判断a与F和m的定性关系。本节课的主要学习任务是在定性认识的基础上运用控制变量的方法，探索a与F和m的定量关系，理解牛顿第二定律及其应用思路。

⑴了解实验装置，明确怎样测定三个物理量。这是引导学生进行实验设计的基础。

⑵引导学生设计实验方法，明确实验步骤，进行实验，获得实验数据。这是学生感知相关的物理研究思想和方法的重要过程。

⑶分析实验数据，得出a与F和m的定量关系，学习牛顿第二定律。这是学生感知如何分析实验数据，如何得出实验结论的重要过程。

⑷运用牛顿第二定律的知识解决简单问题。理解应用定律的基本思路，加深对牛顿第二定律的理解。

探究过程蕴含了较丰富的科学研究的思想和方法（如：运用控制变量法、实验归纳法等），学生通过具体的研究过程，可以加深对这些思想和方法的理解，从而促进其思维的发展。

本教学设计采用教材所示实验方法，但完善了实验探究的各个细节，力图使学生主动获得a与F和m的定量关系。随后又用视频展示了更精确探究牛顿第二定律的实验仪器和用该仪器做实验的过程，以帮助学生更好地理解牛顿第二定律的探究过程。

重点：探究加速度与力和质量定量关系的实验过程，理解牛顿第二定律。

难点：设计实验过程、分析实验数据。

实验探究；教师引导学生分析、设计、操作、归纳、总结等

学习

任务

分析

重难点分析

教学方法

学习者分析

教学生在初中物理中和高中物理前面的章节中已学习了牛顿第一定律的知识，已经掌握了力、质量、加速度、惯性等概念；会分析物体的受力情况、能正确使用匀变速直线运动的基本公式；知道控制变量法。

在本节课的引入部分，学生较容易理解a与F和m的定性关系，困难的是要研究它们的定量关系，该如何设计实验、如何分析实验数据得出实验结论。如果对实验过程和牛顿第二定律理解不透彻，学生就会机械记忆牛顿第二定律的内容，达不到本节教学的要求。因此在教学过程中要通过多种方法和包括计算机模拟、视频录像等多媒体教学手段，为学生创设学习情景。

1、学会用控制变量法探究加速度与力和质量的关系；

知识与技能

2、理解牛顿第二定律的内容，知道定律的确切含义，会用牛顿第二定律解决较简单的问题；

学

3、知道国际单位制中“牛顿”是怎样定义的。

目过程与方法

1、通过演示实验及数据处理，培养学生观察、分析、归纳总结的能力；标

通过实际问题的处理，培养良好的书面表达能力．

2、渗透物理学研究方法的教育。让学生主动提出控制变量法探究物体的a、F、m三个物理量的关系；运用列表处理数据，使学生认识到实验归纳总结得出物理规律是物理学研究的重要方法。

情感态度与1、培养认真的科学态度，严谨、有序的思维习惯。

价值观

2、在整个教学过程中，让学生领会科学的发现、分析、研究等方法，培养学生的科学探究能力。

教学媒体运用

课时

1、演示实验：两辆小车、经改装的上下两层带滑轮和刻度尺的轨道、细线、钩码、砝码。

2、视频：①赛车和普通汽车的启动过程。②介绍赛车的主要力学特点：跟普通汽车相比它的动力大、质量小。③精确探究牛顿第二定律的实验仪器和用该仪器做实验的主要过程。

3、图片展示：跳高冠军——沫蝉（附资料介绍）

PPT教学演示课件

1课时

教学过程分析和设计与教学策略制定

复习问题

引入新课

教

师

活

动

1、

复习提问：

⑴

用什么物理量来描述物体运动状态（速度）改变的快慢？

⑵

用同样大小和方向的力作用在放在光滑水平桌面上的乒乓球和铅球，哪个球速度变化快？为什么？（板书示意图）

⑶

若用大小不同方向相同的力分别作用在放于光滑水平桌面上的相同质量的两个铅球上，哪个的速度变化快？为什么？（板书示意图）

2、播放视频

赛车和普通汽车的启动过程。

再播放介绍赛车跟普通汽车相比的主要的力学特点：动力大、质量小

引导：加速度与力和质量之间到底有何定量的关系呢？下面我们一起来探究

学生活动

学生思考并回答老师的提问

看到赛车很快就获得了很大的速度。即赛车的加速度大。

设计意图

问题指向性明确，学生利用所学知识易于解答。并通过两种情景的对比为控制变量法作实际铺垫

用较为一般的真实情景让学生初步领会：加速度与力和质量之间的定性关系

让学生体会本节课要研究的问题与生活实际的联系

新课教学

一、猜想与假设（板书）

引导：请同学们联系已有的知识和生活经

验及前面的实例，提出自己对物体加速度学生相互讨论与交流

与力和质量的定量关系，并举例说明。

师生交流、生生交流，引导学生得出：当m一定时，F越大，a就越大，a可能与F成正比；当F一定时，m越小，a就越大，

新课教学

新课教学

a可能与m成反比。（板书）

二、实验探究定量关系（板书）

1、实验方法：（板书）

引导：a与F和m均有关，要用实验定量研究a与F和m之间的关系，应采用什么研究方法？

2、设计实验：（板书）

（1）教师介绍如下的实验装置

抽学生回答：

控制m不变或相同，研究a与F的关系；控制F不变或相同，研究a与m的关系

学生了解该装置的功能，知道本实验的研究对象是两个轨道上的两辆小车及可以装在小车上的砝码。

学生思考后回答

学生交流讨论后回答：

靠重力的下滑分力平衡摩擦力

让学生理解：通过测量两小车的位移之比反映两小车的加速度之比

学生参与实验步骤的设计，并设计出记录实验数据的表格

表一：小车质量相同

要学生明确研究问题的方法

为引导学生参与实验的设计做好铺垫

既是探究a、F和m关系，测量这三个量就是一个基本问题，必须解决。

拉力近似等于钩码重力只有在学习了牛顿第二定律后方能说得清楚，这里着重要让学生知道实验有误差，要有减小误差的意识。

让学生理解变量转换的思想和方法。

有了前面的学习，学生设计实验步骤就较为容易了。为了体现课改理念：教师是参与者、组织者、引导

（2）怎样测量a、F和m三个物理量？

①如何测量小车的质量m？

如何改变m？

②如何测量小车受到的拉力F？如何改变F？

a教师讲解：只要钩码的质量远小与小车的质量，就可近似认为小车所受的拉力等于钩码所受的重力。其道理在学习了牛顿第二定律后就可以弄明白。

b轨道存在摩擦，怎么消除小车受到的摩擦力对实验的影响？

教师启发学生：如果将轨道略微倾斜，会怎么样？

③关于加速度a

教师讲解：控制两辆小车同时启动和停止，加速度的比较是依据位移公式：S12at，当t相同时有：

2a1S1a2S2

（板书）

（3）师生一起共同设计实验步骤：

研究a与F的关系，

第一步：让两小车不挂钩吗，分别放在各种轨道上，调节轨道倾角。使得轻推一下小车，小车能匀速运动。

第二步：让两车有相同的质量，两车挂不同的钩码。记录两钩码的重G。

新课教学

新课教学

新课教学

第三步：控制拴住小车的两根细线，让两小车同时启动和迅速停止。记录两小车的位移S。

第四步：只改变两车挂的钩码的重，再重复第三步。

设计出记录实验数据的表格（如右表）。

研究a与m的关系。

第一步：让两车挂相同的钩码，两车的质量不同，分别放在各自的轨道上

。记录小车的质量。

第二步：控制拴住小车的两根细线，让两小车同时启动和迅速停止。记录两小车的位移S。

第三步：只改变两车的质量，再重复第二步。

设计出记录实验数据的表格（如右表）。

3、

进行实验（板书）

请几位学生与老师一起，按设计的实验步骤共同进行实验。

4、

分析处理数据（板书）

引导学生分析表一中的实验数据

分析第一次实验数据，得出什么结论？

分析第二次实验数据，得出什么结论？

由此，可以得出什么结论？

同理，引导学生分析表二中的实验数据得结论。并与原猜想和假设比较

三、牛顿第二定律（板书）

F

小车1 小车2 第一次

第二次

F′

S′

S

表二：小车受的拉力相同

m 小车1

小车2

第一次

第二次

m′

S

S′

学生参与实验操作并记录实验数据

在教师的引导下，学生思考和讨论后再在草稿纸上进行计算。

m不变时，a与F成正比。

F不变时，a与m成反比。

1、多媒体展示更精确探究牛顿第二定律学生欣赏多媒体，感受课堂上的实验重在反映科的实验仪器和用该仪器做实验的过程

牛顿在进行大量的实验后，总结得出 学研究的思想和方法。

F

a



（板书）

m

学生认识怎样将a 与F、2、换成等式：F＝kma，式中k为比例常m的比例关系变成等式关数。通过对1N的定义得出k

= 1，如果F、系。

m、a三个物理量都用国际制单位，则上

式可简化为

学生思考并回答问题

Fma（板书）

如果物体同时受几个力作用呢？

师生一起总结牛顿第二定律的表述及公

式

者，所以该部分是师生共同完成。可以在教师引导下实现，也可以由学生分组先讨论，制定方案，再讨论交流订正，视学生的技能水平而定。

学生参与设计，既可以很好地激发学生的兴趣，又能让他们更好地理解将要进行的实验操作。

让学生体验获得实验数据的过程

让学生明白为什么要计算S1/S2

＝？；F1/F2＝？。在误差范围内S1/S2

是否等于F1/F2

要让学生知道一个规律的发现不可能是几次简单的实验就能得出的，还需要通过大量的实验事实来论证。

让学生进一步明确F的物理含义

新课教学

新课教学

新课教学

（1）表述：物体的加速度跟所受的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合力的方向相同。

（2）公式：F合＝ma

（板书）

四、简单应用

1、用牛顿第二定律解释赛车和普通汽车的启动特点。

2、从牛顿第二定律知道，无论怎样小的力都可以使物体产生加速度。可是我们用力提一个很重的物体时却提不动它，这跟牛顿第二定律有无矛盾？为什么？

3、根据《自然》杂志报道：最新研究显示，身体仅6mm长的昆虫沫蝉，最高跳跃高度可达70cm，这相当于标准身高男性跳过210m高的摩天大楼，其跳跃能力远远超过了人们以前所认为的自然界跳高冠军—跳蚤。当沫蝉起跳时，加速度可达到24000m/s。求它起跳时所承受的地面对它2的支持力是其体重的多少倍？（g=10m/s）

学生自己尝试解决，得出一般情况下，a 的大小取决于F与m的比值。

学生思考回答：F表示合力。

学生独立分析并抽部分学生回答解题思路

学生了解规范的书写要求

让学生学会用规范的语言表述牛顿第二定律

与引入新课的那段视频呼应

通过解决具体问题让学生明确牛顿第二定律中每一个物理量的含义，加深理解

让学生明确并掌握规范的书写

形成本节知识体系的总体框架和理解要点。

巩固、应用本节知识，着重巩固对定律的基本理解和应用规范。

（示范解题）注意规范（板书）

总师生共同总结

结

方法小结：控制变量、变量转换等方法

知识小结：体验探究实验过程和牛顿第二定律的理解要点（本节课着重强化矢量性、瞬时性）

布1、

几道选择题检测学生对牛顿第二定律的基本理解

置2、

几道计算题检测学生对牛顿第二定律的应用能力和书写规范。

作业

教学设计的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、变量转换法和实验归纳的方法研究三个变量的关系。这是人类认识世界的常用方法。所以本节课不只是让学生掌握牛顿第二定律，更应知道定律是如何得出的。

本节课教学设计的思路是：复习提问，在物体运动状态的改变快慢这一问题上，质量和力分别起什么作用？用什么物理量来描述物体运动状态改变的快慢？让学生感受加速度与力、质量的定性关系。然后让学生根据生活中的实例猜想加速度与力和质量的定量关系，在此基础上，进一步引导学生应用控制变量和变量转换等方法进行定量探究，

形成性评价

让学生经历自己设计实验方案、观察实验现象与记录实验数据、全班合作处理实验数据、分析实验数据得出结论的过程，最后总结出牛顿第二定律的数学表达式。体现新课程以学生为主体的理念。

本节课运用教材中的实验思想，但对实验器材有所改进。把教材中同一平面上的两辆车改为上下两层轨道，增加了学生观察的可视性。把教材中用于控制小车运动的夹子改进为能让两车同时运动、同时停止的控制按钮，改善了教师操作的可控性。

关于实验中，钩码的重力可认为近似等于拉力的原因和条件，准备在后续课程中以例题的方式还原情景，引导学生用牛顿第二定律证明。

在探究过程中重视以下因素：1猜想假设、2制定计划与设计实验、3进行实验与收集数据、4分析与论证、5交流与合作。

开始

教学流程

实验：m相同，a与F的关系

通过复习提问创设情景引入新课

猜想a与F、m的定量关系

实验探索a与F、m的定量关系

实验方法、实验设计

实验：F相同，a与m的关系

分析数据、得出规律

表达

牛顿第二定律

公式

多媒体展示更精确探究牛顿第二定律的实验仪器的照片

初步应用牛顿第二定律解决简单的实际问题

总结

布置作业

结束

牛顿第二定律板书设计

（主板书区）

一、

猜想与假设

当m一定时，

a与F有什么关系？

当F一定时，

a与m有什么关系？

二、

实验探究定量关系

1、实验方法：控制变量法、变量转换法

2、设计实验

3、进行实验

4、分析处理数据

三、

牛顿第二定律

1、

实验结论：

a∝F /m

2、牛顿第二定律

F＝ma F合＝ma

（第一副板书区）

∵v0=0 ∴S12at

2

a1S1当t相同时有：a2S2

（第二副板书区）

例3：

解：起跳时的沫蝉受力如图所示，由牛顿第二定律有：

F－G＝ma

即：F＝ma＋mg

而G＝mg

∴ Fag400010401(倍）

Gg10

答：沫蝉起跳时所承受的地面对它的支持力是其体重的401倍。