牛顿第二定律实验探究.docx

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牛顿第二定律实验探究

牛顿第二定律

一、【教学目标】

1、知识与技能：

（1）知道物体的加速度与受到的外力F及与物体的质量ｍ间的关系，理解力是产生加速度的原因，知道物理定律的含义。

（2）理解加速度大小、质量大小和外力大小间的关系。

（3）能根据现有器材设计实验方案，通过实验及数据处理，学会相关的实验技能。

2、过程与方法：

（1）通过对F、m、a三个物理量进行研究，感受实验探究物理规律的基本过程，体会控制变量的研究方法。

（2）在对实验数据处理过程中，感受用图像研究物理问题的科学方法，认识由实验归纳到总结物理规律是研究物理学的基本方法。

3、情感、态度与价值观：

（1）在探究力、质量、加速度三者关系的过程中，树立认真的科学态度，实事求是的科学素养，严谨、有序的思维习惯。

（2）通过实验设计过程，养成合作意识和乐观向上的品质。

二、【教学重点与难点】

【教学重点】

加速度与作用力、质量三者间定量关系。

【教学难点】

如何应用DIS进行实验设计。

三、【教学准备】

实验1：

定性研究加速度与力、质量间关系：

滑板车两只

实验2：

对定量研究进行实验设计：

小车、长木板、小桶、砝码、细线、弹簧秤

实验3：

DIS定量研究加速度与力、质量间关系：

小车、长木板、小桶、砝码、细线、DIS实验器材（位移传感器、电脑、数据采集器等）。

四、【教学过程】

1、表格

教学环节

与内容

教学活动

设计意图

教师活动

学生活动

新课引入

“网球视频”：

通过上海大师赛的一段视频，观察选手击打网球的过程中如何改变其运动状态。

引导学生引出力是改变物体运动状态的原因

观看、思考

利用时下的热点赛事，激发学生的兴趣，同时复习牛顿第一定律。

情景创设

设问1：

由牛顿第一定律知道：

力是改变物体运动状态的原因，请问：

运动状态的改变指什么物理量的改变？

（速度）

由运动学我们知道速度改变会产生加速度，那么影响加速度的因素有哪些呢？

（外力F、物体的质量ｍ）

加速度与F、ｍ间到底有什么关系？

下面我们用实验来研究它们间的关系。

思考

通过设问将活动引向理性思维，同时引出课题。

滑板实验

活动Ⅰ：

让同学甲第一次用较小的力推墙壁，滑出一定距离s1；第二次用较大力推墙壁，甲同学滑出一定距离s2，s2≠s1。

参与、观察、思考

通过实验使学生定性的认识到：

加速度与物体所受的外力和物体的质量都有关，而且加速度只与力和质量两个因素有关。

说明：

滑板车实验中人受到墙壁的作用力实际上在人离开墙壁时就不再作用在人身上了，所以此实验中滑板车后来的运动实际上是靠惯性前进的。

墙对人的力越大，在△t时间（人与墙壁接触的时间）内车产生的加速度也越大，得到的速度也就越大，所以车就滑的越远，所以此实验不是直接的、持续的力作用在车上（因很难找到持续作用的力的情景，因此只能用瞬间力来代替），用的是替代法。

这样可为下面的学生实验用小桶及内部的物体的重力替代小车的拉力作铺垫。

活动Ⅱ：

让甲、乙两个质量不等的同学分别站在同一型号的滑板车上互推，他们受到的推力相等，看它们分别滑出的距离s1和s2，s2≠s1。

实验思想

设问2：

如何研究三个物理量间的关系？

先让一个量不变，研究另二个物理量间的关系，物理上把这种方法叫控制变量法，它是物理研究中经常采用的一种科学方法。

引发学生探索

实验探究

实验设计：

1、先介绍桌子上的实验器材，指出实验的研究对象是小车（质量给定）。

2、让学生思考如何给小车一个恒定的拉力？

利用小桶重力，通过细绳、滑轮拉，从而代替恒定外力

3、如何测定物体的加速度？

用DIS实验器材中的运动传感器。

4、如何控制变量？

1）小车质量不变，探究F与a的关系。

2）拉力F不变，探究小车质量与a的关系。

学生利用现有器材设计实验步骤；

说明：

若是用DIS实验处理数据的，可先不讲平衡阻力，介绍完器材后让学生直接控制变量开始实验，得出图像对学生分析问题能力的提高很有益。

数据处理：

提问1：

当你有了一组数据用什么方法来验证m一定，a与F成正比呢，难道仅仅是粗略的观察一下吗？

肯定不是。

那么我们数学上是怎么来体现y和x成正比呢？

提问2：

a－m图是双曲线，如何变曲为直？

将a－m图转换成

图讨论。

运用数学图象手段，严谨证明，培养学生习惯

活动Ⅲ：

DIS实验，控制变量物体质量m一定，定量研究加速度a与力F间关系。

学生利用DIS实验系统动手实验，采集数据，并进行数据处理

活动Ⅳ：

DIS实验，控制变量力F一定，定量研究加速度a与物体质量m间关系。

实验结论

1、质量一定的情况下，加速度a与作用力F成正比，写作：

2、在作用力F一定的情况下，加速度a与物体质量ｍ成反比，写作：

3、得出牛顿单位的意义，

思考

由此总结出牛顿第二定律：

物体的加速度跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，用公式表示为：

　　改写为等式：

F＝kma。

其中k为比例常数，由公式中各物理量的单位选取有关。

2、语言设计：

引出：

上一节课，我们学习了牛顿第一定律，它又被称之为惯性定律，那么首先我们来复习一下，什么是牛顿第一定律？

学生回答：

任何物体在不受外力的情况下，保持静止状态或匀速直线运动状态。

那么，如果物体受到外力，它的运动状态会怎样呢？

我们先来看一段视频。

（视频播放中）

这是一位网球运动员击打网球的慢动作，我们可以直观的看到当他通过球拍击打的时候，网球的什么发生改变了？

学生回答：

可能以下情况：

1、形状发生改变——我们知道力的作用效果之一是形变，那么另一个作用效果呢？

引出运动状态发生变化。

2、运动方向发生变化——那么运动方向指的是哪个物理量的瞬时方向，引出速度发生变化。

那么运动状态的改变我们一般指的是速度发生改变，我们发现力是改变物体运动状态的原因，由运动学我们知道速度改变会有什么产生啊？

学生回答：

加速度

我们知道击打网球的加速度大小可以通过飞行的远近来判断，飞的远，自然击打网球的加速度就大，那么你们猜猜看影响网球加速度的因素有哪些呢？

或者说怎样可以使网球飞得远些？

学生回答：

可能以下情况：

1、打的重些——力大

2、网球轻些——物体质量小

3、球拍质量好坏——目的是较轻松的产生更大的力

4、天气（空气）情况——与网球获得的加速度无关

定性判断：

我们知道了物体运动状态改变的快慢，也就是加速度与外力以及物体质量有关，今天我们这节课就来研究一下加速度与F、ｍ间到底有什么关系？

下面我们通过一个简单的实验来研究它们间的关系。

（滑板实验一）

我们看到这位同学站在滑板上，第一次用较小的力推讲台，滑出一定距离；第二次用较大力推讲台，又滑出一段距离，你们发现了什么？

学生回答：

力越大，滑行距离远，产生加速度大

那么你觉得刚才的这个实验我们在研究a与F的关系时，把另一个因素——物体的质量怎么处理了？

学生回答：

人的质量两次滑都不变，控制变量法。

当我们要研究两个物理量之间的关系时，把其他物理量保持不变的这种方法称之为控制变量法。

那么你们觉得如果要研究a与m的关系时要把哪个物理量给固定啊？

（集体回答：

）外力。

好，接下来我们来看这样一个实验，请两位同学上来。

（滑板实验二）

这个实验是通过什么方式使外力不变？

学生回答：

作用力与反作用力

我们发现当外力一定时，质量越大，获得的加速度反而小。

当然前面的两个实验只是粗略定性的判断一下a怎样随F变化而变化、a怎样随ｍ变化而变化，那么我们猜想一下它们在数学上到底成什么关系呢？

学生回答：

m一定，a与F成正比；F一定，a与m成反比。

那么我们如何严谨的定量的来研究它们的关系呢？

下面请同学利用桌上的器材来自己设计一个实验方法。

实验设计：

每一位同学桌子上有4个实验器材，分别是木板、小车、带细线的塑料桶、还有许多砝码，大家想一下首先我们研究的运动对象是什么？

（集体回答：

）小车

恩，很好，那么我们如何要使小车运动起来，获得加速度呢？

大家想一下。

（让学生动手思考一段时间）

可以通过手，或者弹簧称来拉吗？

学生回答：

不可以，因为无法获得持续恒定不变的外力。

那么我们怎么办呢？

想想看，小桶、木板的定滑轮有什么作用？

学生回答：

可以把砝码放在小桶里，利用小桶重力，通过细绳、定滑轮拉小车，从而代替恒定外力。

好，那么我们首先想一下如何设计一个步骤，能够通过控制变量法，来研究质量一定，a与F的关系，把你的设计写在纸上。

小车质量已知，加速度可以通过其他仪器测量

（让学生写一段时间）

拿其中的一份投影出来，让他讲一下自己的设计，然后给出合理流程。

让小车质量一定，用小桶拉动小车，测地小车加速度，改变小桶重力，再次测得小车加速度，以次类推，得到一组数据研究a与F的关系。

好，接下来我们再设计一个流程来研究a与m的关系，想一下如何改变小车质量，如何控制外力不变，把流程写下来。

让小桶重力一定，用小桶拉动小车，测地小车加速度，改变小车质量，再次测得小车加速度，以次类推，得到一组数据研究a与m的关系。

那么我们如何来记录数据呢？

要清晰、直观。

学生回答：

列表格

接下来根据你们的纸上的空白表格，想一下如何记录每次实验的a、F、m三个数值

拿其中的一份投影出来，让他讲一下自己的设计。

注意单位问题

当你有了一组数据用什么方法来验证m一定，a与F成正比呢，难道仅仅是粗略的观察一下吗？

肯定不是。

那么我们数学上是怎么来体现y和x成正比呢？

学生回答：

函数图象

如果y和x成正比，那么它的函数图象应该是一条通过原点的倾斜的直线，比如匀速直线运动的s-t图、匀变速直线运动的v-t图，那么a与F成正比，a-F图应该是一条通过原点的倾斜的直线。

好，那么当我们验证F一定，a与m成反比，怎么办呢？

学生回答：

画函数图象

反比的函数图象是什么？

学生回答：

双曲线

但是双曲线是一条曲线，每个人根据几个点画出来的曲线都不一样，而且随便一条曲线，我们也不能判断它是双曲线，一定成反比，那么我们怎么办呢？

首先曲线难画，直线好画，我们需要化曲为直，把反比关系变成正比关系。

数学上的反比例函数表达式是什么？

学生回答：

y=k/x

如果y和x成反比，那么y与什么成正比？

学生回答：

1/x

好，因此我们可以画一个什么图来得到一条直线来验证F一定，a与m成反比

学生回答：

a-1/m图

好，我们把刚才设计的两个图，用直角坐标的方法画在纸上，标好横坐标和纵坐标

DIS验证：

刚才，我们设计了一整套步骤来定量的验证m一定，a与F成正比；F一定，a与m成反比。

接下来我们请两位同学上来用桌上的DIS器材来实际操作一下，小车质量0.266kg，一个钩码0.05N，一块垫片0.05kg。

同学做实验，得到图象。

总结：

我们知道m一定，a与F成正比；F一定，a与m成反比。

那么总的来说，a与什么成正比？

学生回答：

那么a与F/m成正比

a=kF/m

F=kma

当F、m、a都取国际单位制，比例系数k=1

那么我们就把使1kg物体产生1m/s2加速度的力称之为1N，并以此纪念牛顿在物理学上的贡献。

Ⅱ：

教案设计说明

1、教学内容分析

牛顿第二定律是定量研究物体的加速度与受到的外力及物体的质量间的关系。

牛顿第二定律内容是本章的重点，它把力学和运动学有机的结合在一起，是整个经典力学的基础和核心之一，同时也为之后学习机械能、周期运动等知识奠定基础。

本节课主要是高一物理教材第三章《牛顿运动定律》第二节的教学内容，是继牛顿第一定律后，对力改变物体运动状态的定量研究，主要通过实验设计，DIS实验的探究，定量的研究F、m、a三者的关系，是解决动力学问题的一个重要方法，为下一节的牛顿第二定律的实际运用的学习打下基础和知识铺垫。

2、学生情况分析

在知识技能方面：

学生刚刚学习过牛顿第一定律，能够理解不受外力的情况下，物体运动状态保持不变。

同时已经在运动学中初步了解DIS实验的器材使用。

但是在实验设计中，略显被动，始终无法独立的对于一个定性猜想做出正确、规范、严谨的实验流程设计，因此，在教学过程中，学生可能在研究方法上存在着认知和理解的生疏。

在思想方法方面：

学生能认知类推、归纳、控制变量等研究方法，但缺乏自觉主动的应用，部分学生还不习惯于用科学探究的方法分析问题，因此要求学生在DIS实验设计过程中，体验“科学猜想”、“控制变量”，在数据处理过程中，感受“变曲为直”、“归纳推理”等多种物理学研究方法，培养学生观察分析、比较判断、归纳总结的能力。

3、教学设计思路

本教学设计的主要思路是：

从网球比赛的视频引出力是改变物体运动状态的原因入手，再从滑板实验引导学生定性归纳出加速度与作用力、质量的关系，最后以“小车”为研究对象，通过实验设计、DIS实验验证来探究三者间定量关系，引导学生总结出牛顿第二定律的一般表达式。

本设计通过问题的讨论、DIS实验研究、教师指导等多种教学策略的应用，使学生通过猜测、实验探究等环节，培养学生实验设计、归纳概括的能力，使学生学会通过电脑分析和处理数据，掌握用函数图像研究物理问题的一些基本思路和方法，强调学生自主探究和亲身感受物理规律的形成过程以及伴随这一过程的科学方法，提高探究学习的兴趣。

本节课的重点设置在“加速度与作用力、质量三者间定量关系”上。

通过DIS实验，采用“控制变量”法，分别研究加速度与作用力、加速度与质量间关系，应用物理图像对实验数据进行分析讨论。

学生的实验设计一向是教学的难点，在通过实验，了解加速度与作用力、质量之间定性关系的基础上，通过对DIS实验关键步骤的讨论来突破难点。

DIS实验的关键步骤包括：

以“小车”为研究对象，有哪些“变量”、如何控制“变量”进行实验，以及如何通过对物理图像的分析研究得出实验的结论等。

本节课着重实验设计，搁置平衡摩擦力、水平拉动、图象误差分析等问题，留待下节课继续分析

Ⅲ：

教学反思

一、设计课程背景：

1、发现学生在高三做实验设计题型时往往无处下手，缺乏解决实际问题能力

2、新教材对学生探究能力的要求，不再是简单的按部就班

二、备课时的困难：

1、在实际生活中，很难找到一恒定力（除重力、浮力），因此只能用变力来代替，简单定性分析

2、这是一节本来2课时的内容，因此不可能在一节课中完全解决问题，本节课着重实验设计，因此搁置平衡摩擦力、水平拉动、图象误差分析等问题，留待下节课继续分析

3、本节课主要是给学生一个完整的设计实验过程，一开始试讲时发现不可能让一个高一学生就有一个完整的设计思路，因此在区教研李老师的帮助把实验拆分成一小部分、一小部分，设置一个一个台阶让学生慢慢理解实验设计的思路。

特别是在图象证明上，给学生一个体验，能在以后的学习中有所帮助。

三、感受与不足：

不足：

1、当学生在课堂上发现的问题与当初设计时不同，应该以学生为本，不用强行拉回到自己的设计。

2、数据的分析如果放在实验后来讲更为清晰

3、小实验的设计可以研究相互推的过程，不用绕弯路。

4、学生动手实验时，应先交代清楚，不要做了一半再说。

感受：

1、在交流讨论的过程中，扎实自己原有的知识技能。

2、提高了课堂的效率，留下思考的痕迹，又保证了作业的独立性。

3、在探究课中尝试，并努力在所有课中推广，一个阶段后，能将共性的课本教材，转化为独立的个性教材