实验：探究加速度与力、质量的关系教学案例设计

一、教学内容分析

“实验：探究加速度与质量、力之间的关系”这一节内容在物理教材必修一中安排在“牛顿第二定律”前“牛顿第一定律”后。“牛顿第一定律”是牛顿对于“力与运动的关系”的定性表述，而“牛顿第二定律”是在“牛顿第一定律”的基础上对运动和力的定量研究表述，是牛顿力学的重点和中心内容。教材引导力学生从牛顿第一定律出发，安排这节内容的必要性，并从实验思路设计，物理量的测量，实验过程和数据分析几个方面引导学生完成探究。

二、学情分析

从学生的知识结构上看，通过上一节内容的学习，学生已经知道了物体的加速度与力、质量有关，这为实验理论的理解打下了基础。经过第一章中“探究小车速度对时间变化规律”这一实验的学习，已经知道实验探究操作的基本步骤，具备了一定的实验能力。

三、设计思想

实验在中学物理中占有重要的地位。在物理学中，许多概念的形成，规律的发现和理论的建立，都是以实验为基础的。物理离不开实验。旧的教学模式，课程的开展方式主要是注入填充式，教师为课堂的主体，整堂课都是教师在讲解，学生听，学生参与度很低，而在新的课改中，物理学科提出了核心素养，物理学科的核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成。物理课堂教学围绕着核心素养展开，科学探究是其中必不可少的一部分，所以在实验课程设计上以探究为主要模式。

四、教学目标

1、经历探究加速度与力、质量的关系的设计过程，能够依据要求进行实验设计，学会选择合理的实验方案进行探究实验

2、经历用图像处理数据的过程，从图像中发现物理规律，培养学生收集信息、获取证据的能力

3、经历实验操作和测量的过程，知道如何平衡摩擦力、减小系统误差等操作方法，体会

五、教学重难点

教学重点：1、让学生经历加速度与力、质量关系探究过程

2、体会探究的本质，培养学生提出问题、批判性思维、交流和合作等能力

教学难点：1、从实验数据中分析加速度与力以及加速度与物体质量的关系

          2、从图像中发现物理规律，并通过这种体验提高使用多种方法和手段分析、处理信息的能力

六、教学过程

1、问题引入

师：牛顿第一定律告诉我们，物体如果受力，将会改变运动状态，产生加速度。当物体质量一定而受力不相同时，加速度会有什么不同？大小相同的力作用在不同质量的物体上，加速度又会有什么不同？

【设计意图】通过问题的设计引导，让学生回顾牛顿第一定律，回答加速度与力和质量的定性关系，知道实验的必要性，利用实验把各物理量用精确的数量关系表达出来

2、需要测量的物理量

师：该实验需要测量的物理量有哪些？请大家分小组讨论。

（学生简单讨论知道需要测量的物理量有加速度a、力F、质量m。）

师：本实验的三个物理量，质量m可以用天平测量，加速度a、力F，这两个物理量分别怎么测量？请大家讨论。

【设计意图】这是个开放性问题留给学生思考讨论，学生提出的不同实验方案可能会引发不同的实验装置，但引发学生思考并且设计是很重要的。

师：怎么样测量或者比较物体的加速度？

教科书中给出来三种不同的方案（引导学生自主阅读）：

方法一：小车做初速度为0的匀加速直线运动，则测量小车加速度最直接的方法就是用刻度尺测量小车移动的位移x，并用秒表测量时间t，然后由a=，计算加速度

方法二：将打点计时器的纸带连在小车上，根据纸带上打出来的点来测量加速度

方法三：在这个实验中也可以不测量加速度的具体数值。这是因为我们探究的是加速度和其他物理量之间的比例关系，因此测量不同情况下物体加速度的比值即可。让两个物体做初速度为0的匀加速直线运动物体运动时间t相等，那么，由a=可知，它们的位移之比就等于加速度之比，即，这样，测量加速度就转化为测量位移了。

师：怎么样提供并且测量施加给小车的恒力F？恒力F是指小车受到的某个力吗？现实中，仅受一个力作用的物体几乎不存在。每个力都会使体产生加速度，而物体最终对外呈现出的加速度，是每个力产生的加速度的矢量和，所以，这个我们要找的恒力，是物体所受的合力。如何为运动的物体提供一个恒定的合力，以及如何测量合力的大小是大家要考虑的问题，也是这个实验最关键的。大家可以进行小组讨论，给出实验方案。

以下教学片段采用补偿阻力法探究加速度与力、质量之间的关系

如图所示，把木板一侧垫高，用重力的分力来抵消阻力。调节木板的倾斜程度，使小车在不受牵引力时能拖动纸带沿木板匀速运动。将槽码、小车、打点计时器安装好。通过改变槽码的个数可以成倍地改变小车所受的拉力，与此相对应，处理纸带上打出的点来测量加速度。保持小车所受的拉力不变，通过增减小车中的重物改变小车的质量。处理纸带上打出的点来测量加速度。

3、进行实验

在现有的条件下，用打点计时器进行学生分组实验是可行性比较高的实验方案。在实验时，教师鼓励学生互相合作，积极分享。教师在学生进行实验时，进行适当的引导和指导。指导提示内容如下：

（1）阻力补偿或者叫平衡摩擦力：将打点计时器一端适当垫高，小车在此时不能悬挂重物，将打点计时器的纸带与小车相连，轻推小车，让小车在木板上运动。观察打出的纸带，不断调整木板的倾斜程度，直到打出的纸带点击分布均匀，即小车在木板上做匀速直线运动，此时小车在木板上受力平衡，表示平衡摩擦力已经完成。

（2）不需要重新平衡摩擦力，无论改变槽码的质量或者小车的质量，都不需要重新平衡摩擦力。

（3）实验满足条件：只有当小车质量远大于槽码质量时，槽码的重力才可视为小车受到的拉力。

（4）每次小车运动前，小车尽量靠近打点计时器，并应先接通电源，再释放小车，且应在小车到达滑轮前按住小车。

（5）设计记录表格，正确记录实验数据。作图时坐标的标度要选择合理。

4、实验数据处理

（1）表格设计

①探究加速度与力的关系，把测得的同一小车在不同拉力F作用下的加速度a填写在表格中

②探究加速度与质量的关系，把测得的不同质量的小车在相同拉力F作用下的加速度a填写在表格中

（2）图像

【设计意图】为了更加直观地分析加速度a与力F、质量m的关系，需要建立直角坐标系，从坐标系中得到实验结果，让学生学会用图像处理数据

5、实验结果分析

m一定时，a与F成正比；F一定时，a与m 成反比

三、教学设计反思自评

本教学案例，主题为学生的探究性实验。第一部分主要是以问题引导的方式，让学生从实验标题中明确实验中需要测量的物理量，有目的性地选用实验中需要的大部分器材。第二部分是在明确需要测量的物理量和实验器材后的具体操作，体现了“科学探究”这一核心素养。在操作过程中学会主动与他人合作，善于他人，在发现问题提出问题过程中，能基于证据和

逻辑表现自己的见解，在完成实验探究后，使用不同方法和手段分析处理信息，在交流过程中，能准确表述、评估和反思探究过程。

虽然在课程设计时，注重对学生物理学科核心素养的培养，但仍旧有许多不足之处，大部分问题都是由教师提出，由于课时限制，学生并未有太多时间仔细思考并发现提出问题。在今后的教学中，无论是物理知识的教学，还是物理问题的解决都有引导学生发现和提出问题，根据解决问题的需要，收集和选择有用的信息；基于证据和逻辑对问题作出合理解释，培养学生具有准确表述问题解决过程与结果的意愿和能力。

由于实验条件限制，并未真正接触力的传感器，当今社会信息技术越来越多应用于我们的生产生活，提高物理教学水平，发展学生物理学科核心素养，离不开信息技术与物理学习的融合，用先进信息技术手段解决一些常规方法难以实现的实验问题。

紧紧围绕物理学科核心素养开展物理课程是物理学科教学永远的主题。