探究加速度与力、质量之间的关系

《实验：探究加速度与力、质量的关系》教学设计一、教学内容分析1．内容与地位普通高中课程标准试验教科书，物理1必修模块第四章《牛顿运动定律》的第二节《实验：探究加速度与力、质量的关系》《实验：探究加速度与力、质量的关系》是学习牛顿第二定律的基础，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．2．教学重点、难点①教学重点：引导学生探究加速度与力和质量的关系的过程②教学难点：通过实验数据画出图像，根据图像导出加速度与力、质量的关系式3．教学目标①知识目标：1）经历探究加速度与力和质量的关系的过程，得出加速度与力和质量的关系②能力目标1）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．2）了解控制变量法、图像法等科学研究方法的应用．③情感态度价值观让学生亲身感受物理的科学探究活动，学习探索物理世界的方法和策略，培养学生的思维。

二、教法和学法设计的中心思想探究性学习是新一轮课程改革中物理课程标准里提出的重要课程理念，其宗旨是改变学生的学习方式，突出学生的主体地位，物理教师不但应该接受这一理念，而且必须将这一理念体现到教学行为中去。

对学生而言，学习也是一种经历，其中少不了学生自己的亲身体验，老师不能包办代替。

物理教学要重视科学探究的过程，要从重视和设计学生体验学习入手，让学生置身于一定的情景，去经历、感受。

探究式教学是美国教育学家布鲁纳在借鉴了杜威的学习程序理论的基础上首先提出的，主要可分为两类：①引导发现式：创设情景——观察探究——推理证明——总结练习；②探究训练式：遇到问题——搜集资料和建立假说——用事实和逻辑论证——形成探究能力。

经教学实践，形成以“引导——探究式”为主要框架，比较适合国内的实用教学模式。

他是以解决问题为中心，注重学生独立钻研，着眼于思维和创造性的培养，充分发挥学生的主动性，仿造科学家探求未知领域知识的途径，通过发现问题、提出问题、分析问题、创造性地解决问题等去掌握知识，培养创造力和创造精神。

三、教学媒体小车、细线、钩码、带滑轮的长木板、气垫导轨、气源、两个光电开关和与之配套的数字计时器、滑块、金属片、黄沙、小桶、托盘天平、打点计时器、纸带、坐标纸、刻度尺四、案例设计（一）复习导入教师：什么是物体运动状态的改变?物体运动状态发生变化的原因是什么?学生：物体运动状态的改变就是指物体速度发生了改变，力是使物体运动状态发生变化的原因．教师：物体运动状态的改变，也就是指物体产生了加速度．加速度大，物体运动状态变化快；加速度小，物体运动状态变化慢．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．那么物体的加速度大小是由哪些因素有关呢?演示实验：实验装置：长木板上用细线拴住一个小车，通过一个定滑轮与小桶相连第一组实验：控制小车的质量不变，向小桶里面分别加入一个、两个钩码时比较小车速度变化的快慢第二组实验：控制小桶的质量不变，向小车里面分别加入一个、两个钩码是比较小车速度变化的快慢教师：请同学们根据自己的经验对和对实验现象的观察对加速度大小是由哪些因素有关这个问题展开讨论。

学生：物体的加速度 a跟力F、物体质量m有关．（二）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的关系教师：很好，那同学们可不可以结合我们刚才的演示实验大胆的猜想一下他们三个物理量之间定性的来分析是一种什么样的的关系呢？学生：分小组讨论．教师：在学生分组讨论的基础上，请各组派代表汇报讨论结果．引导学生总结出定性的结论：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）设计实验方案教师：同学们回答的很好，我们得到了a与F、m有定性的关系，下面我们如何定量地来研究这三个物理量之间的关系呢？教师：首先请同学们思考，既然物体的加速度 a跟力F、物体质量m有关，那我们要研究这三个物理量之间的关系，我们首先应确立研究方法，同学们，我们采用那一种研究方法来研究这三个物理量之间的关系呢？学生：控制变量法（此方法初中已有涉及）教师：同学们回答的很好，同时我们也应当明确要想研究这三个物理量之间的关系，我们还应测出这三个物理量，而测这三个物理量，我们还应需要一些器材，下面请同学们一边跟着老师一边熟悉实验的器材，一边思考如何来设计实验，来找出这三个物理量之间的关系。

教师：指出讲台上放有气垫导轨、气源、两个光电开关和与之配套的数字计时器、滑块、细线、黄沙、小桶、托盘天平、一端带有滑轮的长木板、小车、钩码、打点计时器、纸带、刻度尺，并说明每个光电开关与数字计时器一起能测出一定宽度的遮光板通过它的时间进而测出物体的瞬时速度后，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．学生：设计出如下实验方案．方案一以小车、打点计时器、纸带、长木板、细线、小桶、钩码、砝码、刻度尺、天平为器材，研究小车的运动．用天平测出小车的质量m1，测出小桶的质量m2，把小桶与小桶中砝码的总重力m ′g 当作小车受到的拉力F ，从打点计时器打出的纸带上测出△s ，由△s ＝at 2计算出小车的加速度a ．方案二 以气垫导轨、气源、两个光电开关、数字计时器、滑块、刻度尺、细线、小桶、砝码、钩码、天平为器材研究滑块的运动．用天平测出滑块的质量m 1，测出小桶的质量m 2，把小桶与小桶中砝码的总重力m ′g 当作滑块受到的拉力F ，用导轨旁边的刻度尺测出两光电开关的距离s 0，用刻度尺测出固定在滑块上的遮光片的宽度△s ，根据数字计时器给出的遮光片分别通过前后两个光电开关所经历的时间△t 1、△t 2，由于△s ≪s 0，因此可以根据v 1＝△s ／△t 1和v 2＝△s ／△t 2计算出滑块在两光电开关间运动时的初、末速度，再由021222as v v ＝－计算出滑块的加速度a ． 教师引导学生讨论两种方案的可行性，让学生踊跃发表自己见解．教师：上述两种方案都是可行的．但前一种方案中小车受到的摩擦力较大，实验误差较大，因此就得想办法消除摩擦力的影响，那么如何消除摩擦力呢?建议有兴趣的同学自己利用课余的时间去实验室用前一种方案或其他方案进行实验探索．本节课我们采用上述后一种方案进行实验探究．在这个方案中，我们把小桶与小桶中黄沙的总重力mg 当作滑块（包括上面的金属片）受到的拉力，这是有条件的，这条件就是m ≪m ′（m 为小车与钩码或滑块与钩码的总质量）． （2）进行实验探究说明：为了让学生能有条不紊地进行实验，将研究内容、实验步骤和数据记录表格（如下）印刷好下发给学生，同时实验前简要说明数字计时器的使用方法，强调实验过程应使气垫导轨保持水平，两光电开关间距要尽可能大些，尽可能使m ′远大于m （如果m ′≥20m ，则可认为m ′≫m ）等注意事项后让学生开始动手实验。

同时，把全班学生分成6个小组，第1组～第3组学生分别完成（表1）中从实验次数1～4各项目的填写与计算，第4组～第6组学生分别完成（表2）中从实验次数1～4各项目的填写与计算． 【研究内容】研究m 一定时，a 与F 的关系【研究步骤】①用天平分别测出滑块的质量m 1＝__________g ，小桶质量m 2＝__________g ，则滑块总质量m 等于m 1加上放在它上面的金属片的质量△m 1．②在桶中放置质量为△m 2的黄沙，则m ′＝m 2＋△m 2，当m ≪m ′时，认为F ＝m ′g （g 取9.8m ／s 2）．③用刻度尺测出遮光片的宽度△s ＝__________m ，用轨道边上的标尺测出两光电开关之间的距离s 0＝__________m ．④实验时，保持s 0不变，把各次滑块运动中遮光片经过前后光电开关的时间△t 1、△t 3代入公式021222s t s t s a ÷⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆=计算出各次滑块运动的加速度，并把实验数据填入表1．表1 研究m 一定时，滑块加速度a 与其受力F 的关系【实验的结论1】____________________________________________________ 【研究内容二】研究a 与m 的关系（F 一定）【研究步骤】①用天平分别测出单个滑块的质量m1＝__________g ，小桶质量m2＝__________g ，则各次实验中滑块总质量m 等于m1加上放在它上面的钩码的质量△m1． ②在小桶中放置质量为△m2的砝码，则m ′＝m2＋△m2，当m ≪m ′时，认为F ＝m ′g （g 取9.8m/s2），并保持m 不变．③用刻度尺测出遮光片的宽度△s ＝__________m ，用轨道边上的标尺测出两光电开关之间的距离s0＝__________m ．④实验时，保持s0不变，把各次滑块运动中遮光片经过光电开关的时间△t1、△t2代入公式021222s t s t s a ÷⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∆=，计算出各次滑块运动的加速度，把实验数据填入表2【实验的结论2】____________________________________________________ 教师：同学们实验做得都非常好，哪些同学愿意把我们的实验数据一起与大家分享？ （教师在6组学生中各收取一位同学记录的数据，然后分别对1至3组同学的数据进行展示。

）教师：下面请同学们仔细观察这三组数据，从定性的角度来看，我们很容易得到，当质量m 一定时，物体的加速度随力的增大而增大，那我们如何定量的得到他们之间的关系呢？请同学们讨论一下。

学生：在坐标纸上作a －F 的图像，通过图我们可以定量的得到a 与F 的关系。

教师：回答的很好，下面我们在这三位同学中找一组数据，请同学们一起作图像。

（教师找一些图像做得比较好的同学，通过实物投影仪向全体同学展示，引导同学得出实验结论1）实验结论1：当物体的质量一定时，a 与F 成正比教师：我们可不可以用同样的方法来研究a 与m 的关系呢？（教师展示4至6组同学的数据，首先还是观察数据，定性的分析加速度与质量之间的关系，然后要求同学们做a —m 图像，当学生在坐标纸上画出a －m 图像进时，同样找一些作图比较好的同学，向全体同学展示）教师：从图像中我们可以发现，随着物体质量m 的增加，物体的加速度在减少，因此能不能就此马上断言a 与m 成反比?学生：不能教师：我们能不能猜想a 与m 成反比? 如何证明这种猜想是否正确?请思考讨论． 学生：可以画出a 与m1图像，看它是否为过原点的直线． 学生：还可以通过计算a 与m 的比值来判断． 教师：让学生计算出对应各次实验的m 1，在坐标纸上作出a －m1图像． 学生：确实实验得到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．实验结论2：当F 一定时，a 与m 成反比说明 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 －m1图像的意义，认识图像法描述物理规律的作用．教师：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， 五、小节六、研究性学习：以小组为单位研究本实验还有那些设计方案，并如何测这三个物理量的关系七、作业：结合自己作出的图像，去分析误差产生的原因。