2. 探究加速度与力、质量的关系教学教案设计

探究加速度与力、质量之间的关系

成都石室中学

寇大武

指导教师：周昌鲜

黄旭阳

一、课程标准中的相关内容

通过实验，探究物体运动的加速度与力、质量之间的关系

二、教学目标

1．物理观念

①

知道加速度与力、质量之间的关系

②

会做“探究加速度与物体受力、物体质量的关系“的实验

2．科学思维

能明确科学探究实验所要解决的问题，知道制定实验方案的重要性，有控制变量的意识，会使用基本的力学实验器材获取数据，能用物理图像描述实验数据，能根据实验数据得出结论，知道实验存在误差，能表达科学探究的过程与结果。

3．科学探究

知道科学探究的基本流程：提出问题、猜想与假设、制定计划设计实验、进行实验收集数据、得出结论、分享与交流。着力提升学生基于证据得出结论并做出解释，

以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。

4．科学态度和价值观

实验是物理的基础，通过分组实验，让学生重温科学探究之路，培养学生的物理素养，以育人为目标，进一步提高学生的核心素养，为学生的终生发展奠定基础，最终促进人类社会的发展。

三、学生分析

通过第一章的学生，学生已经了解了运动的相关物理量，知道了描述物体速度变化快慢的物理量是加速度，通过初中的学生，学生也知道了力是改变物体运动状态的原因，但是力与质量、加速度之间的定量关系学生并不清楚。通过”打点计时器“的使用，学生明白了如何使用器材，但是学生在科学探究方面的思维仍然比较薄弱，对提出问题、猜想与假设、制定计划设计实验、进行实验收集数据、得出结论、分享与交流仍需进一步梳理。

四、教材分析

1.本节的作用和地位

《探究加速度与力、质量之间的关系》高中物理教材（教科版）必修二第三章第二节内容,教材提供实验方案为打点计时器测量加速度，尝试通过dis系统中专用软件“探究加速度与力、质量之间的关系”直接测量。该系统几点不足：1、学生不能有效的进行实验设计、实验数据计算，所有结果均由系统内部拟合的软件完成；2、即使学生测量结果不正确，由于系统内置软件，导致仍然会得出正确的结论，违背了物理探究中尊重实验的原则；3、采用位移传感器，通过函数求解加速度，无法给学生讲解，导致课堂只是器材的展示，缺乏探究思维，无法重现科学家探究问题之路。笔者尝试重现教材中的方法，和学生共同进行：实验方案设计、实验操作、实验数据处理、实验结论、实验反思。期望通过重现科学家探究之路，提升学生的核心素养。

3.重点难点分析

教学重点：探究物体运动的加速度与力、质量之间的关系

教学难点：探究物体运动的加速度与力、质量之间的关系

4.课时要求：1课时

五、教学理念

在《普通高中物理课程标准》要求高中物理教学要以立德树人为根本，进一提高学生的核心素养为目标，为学生的终生发展奠基奠定基础，最终促进人类社会的发展。高中教学中，应该在义务教育的基础上，进一步培养学生的物质观、相互作用观、能量观，并能够让学生运用这些物理规律解决第1页

实际的问题，在形成这些观念的过程中，可以采用实验探究的方式，陪同学生经历科学探究的过程，体会科学探究的方法，养成科学探究的思维，形成正确的科学态度与价值观。所谓科学探究是问题、证据、解释、交流四大要素为构成，是人们人们探索和了解自然、获得科学知识的主要方法，

是提出科学问题，

形成猜想和假设，

获取和处理信息，

基于证据得出结论并做出解释，

以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。

六、教学策略

重温历史经典实验，带着学生重走科学探究之路，让学生感受物理之美，探究之美。

七、教学环境

高一十班

八、教学过程

1

步步为营，重走探究之路

1．1 物理观念——力与运动的定性关系

学生活动1——逻辑推理，强化相互作用观

我们已经学习了牛顿第一定律，请问同学们牛顿第一定律的内容是什么呢？

如果物体所受合外力不为零，则物体的运动状态一定改变，物体运动状态发生改变，说明物体一定具有加速度。到底合外力和加速度之间存在什么样的关系呢？（如图1所示）

运动状态合外力

加速度

改变

图

1 学生活动2——实验演示，引发认知冲突

今天我们通过一个演示实验，首先定性的了解加速度与合外力之间的关系。两辆完全相同的小车置于水平轨道上，其中1号小车左侧挂有3个钩码，2号小车左侧挂有2个钩码，请问哪辆小车的加速度会更大一些？（如图2所示）原来2号小车的质量更大一些。说明了物体的加速度不仅与物体所受的合外力有关，还和物体的质量有关。那到底加速度、质量、合外力之间存在什么样的定量关系呢？今天我们通过实验来寻找他们之间的关系。

图

2 设计意图：具有冲突的对比实验可以有效激发学生的学习兴趣，学生有学习的欲望，期望通过自己的探索解决实际的问题，体现学科素养中的物质观。(时间3分钟)

1．2 科学探究——实验方案设计

请同学们根据演示实验，设计实验方案。回答学案中的3个问题。1．研究对象是谁？如何改变它的质量？2．如何寻找研究对象受到的合外力F，理由是什么？3．如何求研究对象的加速度？

学生活动1——如何找M 研究对象是小车，改变小车的配重可以改变小车的质量（如图3所示）。小车质量约200g，配重质量100g；

第2页

图

3

学生活动2——如何找合外力F

小车所受的合外力应该是小车收到的钩码的拉力，即钩码的重力。提出二个递进层问题：1、请问小车所受的拉力就是小车所受到的合外力吗？2、能否实现小车所受的拉力就是小车所受到的合外力。请提出方案。方案1：只要导轨足够光滑（如气垫导轨），摩擦力接近为零；方案2：只要拉力F远大于摩擦力，摩擦力可以忽略不记；方案3：使用斜面，是物体的重力分力等于摩擦力

在实验中，我们就采用这样的装置进行实验，在这里我们已经帮同学们平衡好了摩擦力（如图4所示），当然当钩码质量远小于小车质量时，我们才能够认为绳子拉力等于钩码重力。具体原因我们以后讲解。

x2x1

150510·20····················

图5

图

4

学生活动3——如何找加速度a

利用打点计时器进行计算，我们可以利用逐差法进行计算，具体计算方法如下：选择纸带上点迹清晰的点作为计数点0（建议取中间偏后的点），中间间隔4个点为5，再间隔4个点为10，把0到10个点之间的距离x1，

0到20个点之间的距离x2（如图5所示）。

x2－2x1x2－2x1利用公式a＝2,其中T＝0.1s，由于读数单位为厘米(cm)，故加速度的大小就应该为4T45.35－2×1.25m/s2．例如：例如：x2＝5.35cm，x1＝1.25cm，则加速度应该为＝0.713m/s2．

24×0.1设计意图：提出问题以后，我们需要通过实验探究三者之间的关系，自己设计实验方案是关键点。学案中的三个问题是实验方案中的核心问题。通过问题层层递进，师生讨论与交流，找到恰当的方案。从目前的一线教学来看，很多教师认为知识一定是正确的、客观的，总是从认识论的角度看问题，教师让学生“死记硬背”结论。忽略了知识的生成过程，忽略了物理实验探究的过程，忽略了实验的设计、实验过程、实验数据处理。应该遵循“重演律”，学生从“未知”到“真知”，需要经历一定的教学过程，教师应该“关注过程，优化过程”，让学生重蹈科学知识的发现过程中的关键环节，从而让学生重走科学家探索之路，在潜移默化中提升学生的核心素养。通过让学生参与实验方案设计，培养学生以后碰到实际问题以后，解决问题能力。教育是一门艺术，教育是一门慢的艺术，教育是一门有遗憾的艺术。核心素养应该是学生若干年以后，当他忘记知识点以后，脑海里面还剩下的处理问题的能力，当他要完成一个项目，他能首先进行方案设计，找到解决问题的方向的能力。

1．3 科学探究——实验证据收集

进行实验之前，老师有几点温馨提醒1、请认真阅读操作说明，按照实验操作流程进行规范的实验操作(比如取放砝码时，请用镊子。选择纸带上的点时，尽量选择点迹清晰的点) 2、4人合作，2人第3页

负责打点，2人负责编号和测量

x1、x2。共同完成实验，迅速得出加速度的值。3、实验1-3小组：建议首先探究a与F的关系，在测量出a的值以后，请首先观察数据，找出a与F的关系或者通过绘制a与F的图像，找出他们之间的关系。4、实验4-6小组：建议首先探究a与M的关系，在测量出a的值以后，请首先观察数据，找出a与M的关系；或者通过绘制a与M的图像，找出他们之间的关系。

学生活动1——M一定时，研究a与F的关系

请同学们保持小车质量M＝0.200kg不变，依次往小桶((m桶＝0.005kg，G桶＝0.05N)中增加砝码(m＝0.02kg，G砝码＝0.2N)个数，则小车受到的拉力F总＝G桶＋G砝码，并通过计算求出加速度，填入下面的表格中（表格1）

M一定时，a与F的关系（M=0.200kg）

F(N) 0.250 0.450 0.650 0.850 1.050

a(m·s-2)

学生活动2——F一定时，研究a与M的关系

请同学们保持小桶和小桶中砝码的总质量m＝0.025kg(G＝0.25N)不变，依次往小车中增加砝码(M砝码＝0.10kg)个数，则小车和重物的总质量M总＝M车＋M砝码，并通过计算求出加速度，填入下面的表格中(表格2) F一定时，a与M的关系（F=0.25N）

M(kg) 0.200 0.300 0.400 0.500 表格2 0.600 a(m·s－2)

设计意图：实验过程是实验探究中重要一环，本实验采用传统的打电计时器实验装置，为了让学生体验实验探究的全过程，明确的小组分工与合作、恰当的计算方法、合适的大组探究内容是实验数据快速得出的关键。计算加速采用a＝x2－2x14T2，由于相邻两点距离太小，打点计时器每个点具有一定的大小，刻度尺测量精度不高，会造成较大误差。采用20个点的计算方法，可以有效的减小误差，得到较为准确的结果。学生以为利用逐差法计算加速度很简单，但实际测量和考试题目之间存在较大的差异，通过实验操作，有效提高学生的动手能力，合作交流能力，计算能力。感受实际实验操作并不是想象中的那么简单。

1．4科学探究——实验数据处理

请1到3组的同学1．请观察上面的数据，你能找出加速度a与合外力F之间的关系吗？2．请在图1中画出加速度与合外力F之间的图像，并找出规律？（如图5所示）

请4到6组的同学1．请观察上面的数据，你能得出找出加速度a与合外力M总之间的关系吗？

2．请在图2中画出加速度与质量M总之间的图像，并找出规律？（如图6所示）

第4页

表格1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 F(N)

图5 图6

1．5科学探究——实验结果分享

1到3组的同学测量结果（如表格3所示）请观察上面的数据，你能找出加速度a与合外力F之间的关系吗？

M一定时，a与F的关系（M=0.200kg）

F(N) 0.250 0.450 0.650 0.850 1.050

a(m·s-2) 0.850 1.810 2.150 2.700 3.002

学生：观察数据可得，加速度与合外力F成正比，因为他们的比值接近为常量。

教师：我们可以通过图像法找到他们之间的关系。（如图7、8所示）请问我们应该如何作图？

学生：观察所有的点在近似的在一条直线上，我们可以用一条平滑的直线作图，使尽量多的点在直线上，不在直线上的点均匀地分布在直线两侧。

教师：对比图7和图8，请问是什么原因造成了图像一个通过坐标原点，一个没有通过坐标原点？

学生：摩擦力的原因。

图

7

图8

教师：4到6组的同学测量结果（如表格4所示）请观察上面的数据，你能找出加速度a与M之间的关系吗？

F一定时，a与M的关系（F=0.25N）

M(kg) 0.200 0.300 0.400 0.500 0.600

－

0.525 0.475 0.203 0.150 a(m·s2) 0.850

第5页

表格3 表格4

学生：观察数据可得，加速度与小车质量成反比，因为他们的乘积接近为常量。

教师：我们可以通过图像法找到他们之间的关系。（如图9、10所示）请问我们应该如何作图？

学生：观察所有的点在近似的在一条反比例图像上，我们可以用一条平滑的曲线作图，使尽量多的点在曲线上，不在曲线上的点均匀地分布在曲线两侧。

教师：图9的同学把所有的点之间连接在一起了，说明没有观察数据之间的关系，没有选择有效的函数拟合两个物理量之间的关系，图10的同学做的更好一些。

教师：我们如果想化曲为直，应该如何作图

1学生：a与的图像为直线（如图11所示）

M

图11 设计意图：实验数据处理是实验结论得出的重要过程。观察数据规律，利用图像法处理数据是数据处理的常用方法。分享学生的实验成果，让学生有成就感；指出实验数据处理的方法，让学生有获得感。科学探究一般有证据、分享、交流、评估与反思几个部分组成，分享交流与反思是学生获得探究结果的重要途径。

1．6科学探究——实验结论

1．当小车在质量一定的情况下，加速度与合外力成正比

2．当小车合外力一定的情况下，加速度与质量成反比

综合实验结论1、结论2

，可得加速度正比于合外力，和质量成反比

1．7科学探究——分享与交流

请同学们总结科学探究的基本流程：提出问题、猜想与假设、制定计划设计实验、进行实验收集数据、得出结论、分享与交流。感悟今天我们学会了什么？物理课在今天结束了，但是我们碰到的实际问题还有很多，希望同学们更多的观察身边的现象，发现问题，通过实验，分析数据，得出结论，为人类社会的进步做出自己的一份贡献。

第6页

图

9 图10

2

总结反思

知道科学探究的基本流程：提出问题、猜想与假设、制定计划设计实验、进行实验收集数据、得出结论、分享与交流。着力提升学生基于证据得出结论并做出解释，

以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。重走科学家发现真理的道路，领略实验的魅力，感悟知识的生成过程，方能在潜移默化中提升学生的核心素养。所谓核心素养，应该是学生忘记物理知识点以后，在脑海中剩下的分析问题、处理问题的哲学思想。

第7页