2　实验：探究加速度与力、质量的关系优秀教学设计

2　实验：探究加速度与力… 高中物理       人教2003课标版

1、知识与技能；

(1)认识影响加速度的因素——力和质量；

(2)体会“控制变量法”对研究问题的意义；

(3)能用图象法处理数据并得出合理的结论；

(4)知道平衡摩擦力的方法和判断摩擦力是否平衡的方法。

2、过程与方法；

(1)体验科学探究的基本步骤，并认识到数学工具和计算机在物理研究中的作用；

(2)能用“化曲为直”的思想处理物理量之间的反比关系；

(3)了解将“不易测量的量转化为可测量的量”的实验方法。

3、情感、态度与价值观；

(1)培养团队协作精神，能相互交流、讨论，勇于改进实验方法。

(2)体验探究过程的艰辛和严谨，培养学生尊重事实，实事求是的科学研究作风。

    通过初中的物理学习，科学探究思想必然对学生产生了很深的影响，因此，在高中阶段，教师应努力让学生自主体会科学探究的过程。由于是初次由学生自己制定实验方案，所以教师要引导学生，帮助学生完成科学探究的过程，让学生既体验整个探究过程的艰辛，又不至于迷失方向，最终体会到胜利的喜悦。

    重点是制定和完善实验方案，知道数据处理的方法。难点是制定和完善实验方案。

上节课，我们学了牛顿第一定律，从这条定律可知：

1、力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因。

教师提问：怎样算物体的运动状态发生变化？

学生回答：速度变化

教师引导分析：根据加速度公式 可得，速度变化即产生了加速度。因此，力是产生加速度的原因。特别说明，这里所说的力，是指物体所受的合力。

2、一切物体都有惯性，质量越大，惯性越大，物体的运动状态越难改变。

教师引导分析：运动状态改变的难易与质量直接相关，即加速度与质量也有关。

总结：通过以上分析可知，加速度既与物体受力有关，又与物体质量有关，那么这三个量之间，存在什么关系呢？这就是这节课我们要探究的课题。

【设计意图】通过温故已熟悉的牛顿第一定律，使学生自然而然的意识到，加速度与力、质量这两个因素有关，明确学生要探究的课题。

一、创设情境，提出问题：

由书本里“赛车改装”的思考与讨论引出，学生讨论后提出赛车改装的方案：

1、换马力更大的发动机，提供更大的牵引力，启动更快。

2、所有不必要的设备都省去，减少车自身的质量，启动更快。

教师引导总结，得出定性关系：

当物体的质量一定时，物体所受的力越大，加速度越大；

当物体所受的力一定时，物体的质量越小，加速度越大。

教师提问：这三个量之间，存在什么定量关系呢？这就是接下来我们要解决的问题。

【设计意图】通过“赛车改装”的具体事例，引起学生的兴趣，并根据生活经验，可以很容易得到三者之间的定性关系。

二、由定性关系，猜想假设：

学生猜想：当m一定时，a与F成正比；当F一定时，a与m成反比。

教师提出多种可能性：a与F2，F3……成正比，a与m2，m3……成反比。到底哪种猜想才是正确的，这还需要事实说话。

【设计意图】提出多种可能性，体现了科学的严谨性，并体现了实验的必要性。

三、层层设疑，制定方案：

1、明确目的：① m一定时，探究a与F的关系；②F一定时，探究a与m的关系

教师提问：这样的实验方法叫什么？

学生回答：控制变量法。

【设计意图】由实验目的，学生自己会意识到需要使用“控制变量法”，从而体会到在研究多个量之间的定量关系时，采用“控制变量法”这种实验方法的普遍性及优越性。

2、设计实验方案：

问题一：如何测量m 、a、F这三个量？

①质量m的测量，学生很容易就能想到，直接用天平测量即可。

②力F的测量，学生易想到用弹簧秤测量。对于这样的想法，教师应给予鼓励。同时，应提出相应的疑问：在探究a与m的关系时，需要保持F恒定，而用弹簧秤拉着物体运动，很难保持力不变；在探究a与F的关系时，F又要求容易改变。也就是说，实验中的力F既要容易保持恒定，又要容易改变，还要容易测量大小，回忆同学们所学的力中，有没有集这么多优点于一身的力？

学生可能会想到重力。重力的大小只跟物体质量有关，通过控制和测量质量，就可以控制和测量力的大小。

教师再问：重力的方向只能竖直向下，那如果要求物体在水平面内运动呢？有没有什么办法，可以改变力的方向？

学生可能会想到初中学过的定滑轮，将重物牵引的细线架在定滑轮上，就可以把力的方向由竖直变水平。

③加速度a的测量，无法直接测量，在第二章中，着重讲过借助打点计时器间接测量加速度的方法，所以学生会比较容易想到。

通过以上分析，学生对所需器材应该大致清楚了，对实验装置的排放，应该有大致的雏形。

器材：小车、打点计时器、纸带、一端带滑轮的长木板、细线、砝码及砝码盘、钩码、刻度尺、

天平

【设计意图】通过对三个量测量方法的讨论，比较自然的得到了相应的器材和装置的排布。测量的难点是力的测量，所以通过老师层层递进的问题，给学生指明方向，让学生体会了“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”的感觉。

问题二：假设木板光滑，小车所受的合力是绳子的拉力，我们能计算得到的是重物的重力。绳子的拉力跟所挂重物的重力相等吗？

老师提问：假如相等，重物受力平衡，将做什么运动？

学生回答：匀速直线运动。

老师提问：实际重物如何下落？

学生回答：加速下落

分析可得：重物的重力应大于绳子的拉力

教师指出：只有当重物质量远小于小车质量时，两者才近似相等。具体原因通过以后的学习再分析。

【设计意图】学生很容易将重物重力就认为是绳子上的拉力大小。教师通过假设与实际对比的强烈反差，使学生们意识到，实际上两者是不相等的。实验中是在一定的前提条件下，用重物的重力近似替代绳子的拉力，将不易测得的量转化成可测易变的量。

问题三：实际上木板是粗糙的，小车在运动过程中，还受到摩擦力的作用，即小车所受的合力应该是绳子拉力与摩擦力的矢量和。这样给研究带来麻烦。如何避免摩擦力对实验的干扰？

有学生可能会提出新增一个力，把摩擦力平衡掉。

教师提问：那么新增的力谁提供，大小如何测量……发觉新增一个力这个方法会带来一系列的麻烦。

教师分析：在不增加新的力的情况下，要使小车在运动过程中所受的合力为绳子的拉力，换句话说，就是在不挂重物的情况下，小车所受的合力是零。也就是说，如果不挂重物时，小车能在木板上做匀速直线运动，那么就说明小车所受合力是零。如何做到呢？

学生回答：将木板的一端垫高，水平面变成斜面，小车不挂重物时，沿斜面可能匀速运动。

教师总结：在不新增加力的情况下，我们利用小车自身

重力沿斜面向下的分力来平衡摩擦力，解决了摩擦力带来的麻烦。

教师提问：在平衡摩擦力时，挂不挂重物？拖不拖纸带？

学生回答：不挂重物，应拖上纸带。

教师提问：如何判断是否平衡好摩擦力了呢？

学生回答：通过打点计时器所打的纸带点迹是否均匀判断。

【设计意图】实验中摩擦不可消除，所以想办法将摩擦力的作用效果抵消。通过教师的分析，学生易想到平衡摩擦力的方法，同时能弄清平衡时如何操作的细节，至于是否平衡好，通过前面的学习，学生应该较易想到用纸带法。

以上三个问题解决后，实验方案就基本制定好了，具体器材、装置以及操作细节都应该成竹于胸了，那么下节课，同学们自己对照实验册的具体步骤，就可以进行实验了。

【设计意图】教师将实验方案制定的过程分解成三个过程，每个过程通过问题链的形式，让学生在解决问题的过程中，逐步明确实验方案以及操作中需要注意的问题。这样，将困难的问题分解成易解决的小问题，在这些小问题的引领下，学生尝到了成功的滋味，并且为学生以后自己探究也提供了一种思路 。

四、化曲为直，数据处理：

教师提问：如何知道所得数据之间的数学关系？

学生回答：图象法。

教师提问：正比关系的图象有什么特点？

学生回答：一条过原点的直线。

教师提问：反比关系的图象有什么特点？

学生回答：双曲线。

教师提问：是否是过原点的直线，很容易判断；如何知道某条曲线是不是双曲线呢？如果a与m成反比，表达式a=k/m(k≠0)，那么a与1/m是什么关系？图象如何？

学生回答：成正比。图象是过原点的直线。

教师总结：如果得到a与1/m的图象是过原点的直线，那么就说明a与m成反比。这样就将难辨认的曲线转化成了易辨认的直线。化曲为直，容易判断。

【设计意图】用图象法处理所得数据，这里不是第一次了，学生应该会比较容易想到。借助图象找数据之间数学关系的好处是，直观且能剔除错误数据，所以要求学生要熟练掌握。反比图象是双曲线，如何判断这条曲线是不是双曲线，很难，所以这里通过坐标的转换将双曲线变成了直线，将不易判断的转化为易判断的。

五、借助先进仪器，改进方案并演示：

    虽然方案制定好了，但是发觉实际操作过程中，平衡摩擦力以及用公式法计算加速度较复杂，因此想到要改进方案。

改进的方案：

1．将长木板换成气垫导轨，这样就不需要平衡摩擦力。

2．用光电门测加速度： ，这样就不用进行大量计算了。

3．将沙桶用回形针代替提供拉力，好处是既满足质量远小于滑块质量的前提，又能使力能够成倍变化，更易发现数据间的关系。

4．用Excel表格进行数据处理，节约时间且容易看出数据间的数学关系

教师以m一定时，探究a与F的关系为例，进行课堂实验。实验时，介绍用数字毫秒计测三个时间t1、t2、t。

实验表格如下：（速度1、2以及加速度可通过计算机直接计算得到）

由计算机画图可得：m一定时，a∝F

【设计意图】通过这个演示，让同学们认识先进仪器在物理研究中的重大作用，通过接触了解先进的仪器，跟上科学发展的进步。借助于计算机，减少了很多麻烦，使同学们意识到各门学科之间的联系，注重学科间的综合应用。

2　实验：探究加速度与力、质量的关系　

2　实验：探究加速度与力、质量的关系　

上节课，我们学了牛顿第一定律，从这条定律可知：

1、力不是维持物体运动的原因，而是改变物体运动状态的原因。

教师提问：怎样算物体的运动状态发生变化？

学生回答：速度变化

教师引导分析：根据加速度公式 可得，速度变化即产生了加速度。因此，力是产生加速度的原因。特别说明，这里所说的力，是指物体所受的合力。

2、一切物体都有惯性，质量越大，惯性越大，物体的运动状态越难改变。

教师引导分析：运动状态改变的难易与质量直接相关，即加速度与质量也有关。

总结：通过以上分析可知，加速度既与物体受力有关，又与物体质量有关，那么这三个量之间，存在什么关系呢？这就是这节课我们要探究的课题。

【设计意图】通过温故已熟悉的牛顿第一定律，使学生自然而然的意识到，加速度与力、质量这两个因素有关，明确学生要探究的课题。

一、创设情境，提出问题：

由书本里“赛车改装”的思考与讨论引出，学生讨论后提出赛车改装的方案：

1、换马力更大的发动机，提供更大的牵引力，启动更快。

2、所有不必要的设备都省去，减少车自身的质量，启动更快。

教师引导总结，得出定性关系：

当物体的质量一定时，物体所受的力越大，加速度越大；

当物体所受的力一定时，物体的质量越小，加速度越大。

教师提问：这三个量之间，存在什么定量关系呢？这就是接下来我们要解决的问题。

【设计意图】通过“赛车改装”的具体事例，引起学生的兴趣，并根据生活经验，可以很容易得到三者之间的定性关系。

二、由定性关系，猜想假设：

学生猜想：当m一定时，a与F成正比；当F一定时，a与m成反比。

教师提出多种可能性：a与F2，F3……成正比，a与m2，m3……成反比。到底哪种猜想才是正确的，这还需要事实说话。

【设计意图】提出多种可能性，体现了科学的严谨性，并体现了实验的必要性。

三、层层设疑，制定方案：

1、明确目的：① m一定时，探究a与F的关系；②F一定时，探究a与m的关系

教师提问：这样的实验方法叫什么？

学生回答：控制变量法。

【设计意图】由实验目的，学生自己会意识到需要使用“控制变量法”，从而体会到在研究多个量之间的定量关系时，采用“控制变量法”这种实验方法的普遍性及优越性。

2、设计实验方案：

问题一：如何测量m 、a、F这三个量？

①质量m的测量，学生很容易就能想到，直接用天平测量即可。

②力F的测量，学生易想到用弹簧秤测量。对于这样的想法，教师应给予鼓励。同时，应提出相应的疑问：在探究a与m的关系时，需要保持F恒定，而用弹簧秤拉着物体运动，很难保持力不变；在探究a与F的关系时，F又要求容易改变。也就是说，实验中的力F既要容易保持恒定，又要容易改变，还要容易测量大小，回忆同学们所学的力中，有没有集这么多优点于一身的力？

学生可能会想到重力。重力的大小只跟物体质量有关，通过控制和测量质量，就可以控制和测量力的大小。

教师再问：重力的方向只能竖直向下，那如果要求物体在水平面内运动呢？有没有什么办法，可以改变力的方向？

学生可能会想到初中学过的定滑轮，将重物牵引的细线架在定滑轮上，就可以把力的方向由竖直变水平。

③加速度a的测量，无法直接测量，在第二章中，着重讲过借助打点计时器间接测量加速度的方法，所以学生会比较容易想到。

通过以上分析，学生对所需器材应该大致清楚了，对实验装置的排放，应该有大致的雏形。

器材：小车、打点计时器、纸带、一端带滑轮的长木板、细线、砝码及砝码盘、钩码、刻度尺、

天平

【设计意图】通过对三个量测量方法的讨论，比较自然的得到了相应的器材和装置的排布。测量的难点是力的测量，所以通过老师层层递进的问题，给学生指明方向，让学生体会了“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”的感觉。

问题二：假设木板光滑，小车所受的合力是绳子的拉力，我们能计算得到的是重物的重力。绳子的拉力跟所挂重物的重力相等吗？

老师提问：假如相等，重物受力平衡，将做什么运动？

学生回答：匀速直线运动。

老师提问：实际重物如何下落？

学生回答：加速下落

分析可得：重物的重力应大于绳子的拉力

教师指出：只有当重物质量远小于小车质量时，两者才近似相等。具体原因通过以后的学习再分析。

【设计意图】学生很容易将重物重力就认为是绳子上的拉力大小。教师通过假设与实际对比的强烈反差，使学生们意识到，实际上两者是不相等的。实验中是在一定的前提条件下，用重物的重力近似替代绳子的拉力，将不易测得的量转化成可测易变的量。

问题三：实际上木板是粗糙的，小车在运动过程中，还受到摩擦力的作用，即小车所受的合力应该是绳子拉力与摩擦力的矢量和。这样给研究带来麻烦。如何避免摩擦力对实验的干扰？

有学生可能会提出新增一个力，把摩擦力平衡掉。

教师提问：那么新增的力谁提供，大小如何测量……发觉新增一个力这个方法会带来一系列的麻烦。

教师分析：在不增加新的力的情况下，要使小车在运动过程中所受的合力为绳子的拉力，换句话说，就是在不挂重物的情况下，小车所受的合力是零。也就是说，如果不挂重物时，小车能在木板上做匀速直线运动，那么就说明小车所受合力是零。如何做到呢？

学生回答：将木板的一端垫高，水平面变成斜面，小车不挂重物时，沿斜面可能匀速运动。

教师总结：在不新增加力的情况下，我们利用小车自身

重力沿斜面向下的分力来平衡摩擦力，解决了摩擦力带来的麻烦。

教师提问：在平衡摩擦力时，挂不挂重物？拖不拖纸带？

学生回答：不挂重物，应拖上纸带。

教师提问：如何判断是否平衡好摩擦力了呢？

学生回答：通过打点计时器所打的纸带点迹是否均匀判断。

【设计意图】实验中摩擦不可消除，所以想办法将摩擦力的作用效果抵消。通过教师的分析，学生易想到平衡摩擦力的方法，同时能弄清平衡时如何操作的细节，至于是否平衡好，通过前面的学习，学生应该较易想到用纸带法。

以上三个问题解决后，实验方案就基本制定好了，具体器材、装置以及操作细节都应该成竹于胸了，那么下节课，同学们自己对照实验册的具体步骤，就可以进行实验了。

【设计意图】教师将实验方案制定的过程分解成三个过程，每个过程通过问题链的形式，让学生在解决问题的过程中，逐步明确实验方案以及操作中需要注意的问题。这样，将困难的问题分解成易解决的小问题，在这些小问题的引领下，学生尝到了成功的滋味，并且为学生以后自己探究也提供了一种思路 。

四、化曲为直，数据处理：

教师提问：如何知道所得数据之间的数学关系？

学生回答：图象法。

教师提问：正比关系的图象有什么特点？

学生回答：一条过原点的直线。

教师提问：反比关系的图象有什么特点？

学生回答：双曲线。

教师提问：是否是过原点的直线，很容易判断；如何知道某条曲线是不是双曲线呢？如果a与m成反比，表达式a=k/m(k≠0)，那么a与1/m是什么关系？图象如何？

学生回答：成正比。图象是过原点的直线。

教师总结：如果得到a与1/m的图象是过原点的直线，那么就说明a与m成反比。这样就将难辨认的曲线转化成了易辨认的直线。化曲为直，容易判断。

【设计意图】用图象法处理所得数据，这里不是第一次了，学生应该会比较容易想到。借助图象找数据之间数学关系的好处是，直观且能剔除错误数据，所以要求学生要熟练掌握。反比图象是双曲线，如何判断这条曲线是不是双曲线，很难，所以这里通过坐标的转换将双曲线变成了直线，将不易判断的转化为易判断的。

五、借助先进仪器，改进方案并演示：

    虽然方案制定好了，但是发觉实际操作过程中，平衡摩擦力以及用公式法计算加速度较复杂，因此想到要改进方案。

改进的方案：

1．将长木板换成气垫导轨，这样就不需要平衡摩擦力。

2．用光电门测加速度： ，这样就不用进行大量计算了。

3．将沙桶用回形针代替提供拉力，好处是既满足质量远小于滑块质量的前提，又能使力能够成倍变化，更易发现数据间的关系。

4．用Excel表格进行数据处理，节约时间且容易看出数据间的数学关系

教师以m一定时，探究a与F的关系为例，进行课堂实验。实验时，介绍用数字毫秒计测三个时间t1、t2、t。

实验表格如下：（速度1、2以及加速度可通过计算机直接计算得到）

由计算机画图可得：m一定时，a∝F

【设计意图】通过这个演示，让同学们认识先进仪器在物理研究中的重大作用，通过接触了解先进的仪器，跟上科学发展的进步。借助于计算机，减少了很多麻烦，使同学们意识到各门学科之间的联系，注重学科间的综合应用。