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1、《實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》教學(xué)案例
南京市陶吳中學(xué) 劉天成 2007年6月15日
摘要：高中物理新課標(biāo)提出，高中物理課程有助于學(xué)生繼續(xù)學(xué)習(xí)基本的物理知識(shí)與技能；體驗(yàn)科學(xué)探究過程，了解科學(xué)探究方法；增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，發(fā)展探索自然、理解自然的興趣與熱情。為此，新教材中專門編入了探究課，這也是新教材的特色之一。如何上好探究課，充分發(fā)揮其功能。本案例以新教材必修1第四章第二節(jié)《實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》為例，沿提出問題，猜想與假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理與分析，反復(fù)驗(yàn)證，得出結(jié)論的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮其主動(dòng)性，并用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理
2、，集科學(xué)性、方法性于一體，供參考。
教學(xué)目標(biāo)：
一、知識(shí)目標(biāo)：
(1) 理解力是使物體產(chǎn)生加速度的原因、質(zhì)量是慣性大小的量度；
(2) 知道得出加速度和力的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，理解加速度和力的關(guān)系；
(3) 知道得出加速度和質(zhì)量的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，理解加速度和質(zhì)量的關(guān)系。
二、能力目標(biāo)
通過實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)出加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系。培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α⒏爬芰头治鐾评砟芰Α?
三、德育目標(biāo)
體會(huì)探究過程中的所用的科學(xué)方法；認(rèn)識(shí)到由實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)物理規(guī)律是物理學(xué)研究的重要方法；建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)觀。
教學(xué)重點(diǎn)：
1、指導(dǎo)學(xué)生找到探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的思路和方法
2、怎樣提供和測(cè)量物體
3、所受的力
教學(xué)難點(diǎn)：
讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究得出數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而自己歸納出a與F和m的關(guān)系是本節(jié)的難點(diǎn)。
教學(xué)儀器：
多媒體、小車、一端帶滑輪長(zhǎng)軌道、鉤碼、刻度尺等。
教學(xué)過程
(一)引入新課
[教師] 牛頓第一定律告訴我們物體在不受力的情況下保持的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是靜止或勻速運(yùn)動(dòng)。那么，同學(xué)們考慮過沒有物體在受到力的情況下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是怎樣的呢？這節(jié)課我們就來研究問題。
[教師] 用多媒體投影機(jī)出示學(xué)生思考的問題：
1、物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變是指哪個(gè)物理量的改變？標(biāo)志物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化快慢的物理量是什么？
2、對(duì)于任何物體，在它們受到相同作用力時(shí)，決
4、定它們狀態(tài)變化難易程度的唯一性因素是什么？
[學(xué)生] 物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變是速度的改變，標(biāo)志物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化快慢的物理量是加速度。對(duì)于任何物體，在它們受到相同作用力時(shí)，決定它們狀態(tài)變化難易程度的唯一性因素是物體的質(zhì)量。
[教師] 由上節(jié)學(xué)習(xí)可知：物體的質(zhì)量越大，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越難改變，物體的質(zhì)量越小，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越容易改變。請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)上節(jié)所學(xué)知識(shí)猜想：物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化快慢即物體加速度的大小與什么物理量有關(guān)？請(qǐng)同學(xué)們舉例說明。
[學(xué)生] 加速度的大小可能與物體的質(zhì)量和受到的力有關(guān)。例如，一般小汽車從靜止加速到一定速度，只需十幾秒的時(shí)間，而滿載的貨車加速就慢得多。比賽用的小汽車，可以在
5、很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到很快的速度，而一般的小汽車卻不能。
[教師] 剛才同學(xué)舉的例子很好！請(qǐng)同學(xué)們猜想加速度的大小與物體的質(zhì)量和受力有怎樣的定量關(guān)系？
[學(xué)生] 物體加速度的大小與物體的質(zhì)量成正比，和物體的質(zhì)量成反比。
[教師] 物體的加速度是否與物體的受力成正比，與物體的質(zhì)量成反比呢？同學(xué)們的猜想是否正確呢？這節(jié)課我們通過實(shí)驗(yàn)來探求物體的加速度與物體的質(zhì)量和物體受力的定量關(guān)系。
(二)教學(xué)過程設(shè)計(jì)
1、實(shí)驗(yàn)研究方法的確定
[教師] 加速度的大小既與物體的受力有關(guān)，又和物體的質(zhì)量有關(guān)，那么我們應(yīng)采用什么樣的方法來研究加速度的大小與物體的受力和物體的質(zhì)量之間的定量關(guān)系呢？
[學(xué)生] 可以
6、先研究加速度與物體受力的關(guān)系，再研究加速度與物體的質(zhì)量的關(guān)系。
[教師] 很好！當(dāng)研究三個(gè)物理量之間的關(guān)系時(shí)，先要保持某個(gè)量不變，研究另外兩個(gè)量之間的關(guān)系，再保持另一個(gè)量不變，研究其余兩個(gè)量之間的關(guān)系，然后綜合起來得出結(jié)論。這種研究問題的方法叫控制變量法，是物理學(xué)中研究和處理問題時(shí)經(jīng)常用到的方法。
[教師] 用多媒體投影機(jī)展示控制變量法的含義。
[教師] 在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們應(yīng)怎樣用控制變量法來研究加速度與物體的質(zhì)量和受力之間的定量關(guān)系呢？
[學(xué)生] 可以保持物體的質(zhì)量不變，測(cè)量物體在不同的力作用下的加速度，分析加速度與力的關(guān)系；也可以保持物體所受的力不變，測(cè)量不同質(zhì)量的物體在該力作用下
7、的加速度，分析加速度與質(zhì)量的關(guān)系。
[教師] 很好！要研究加速度與物體的質(zhì)量和受力之間的關(guān)系，就需要測(cè)量物體的加速度、質(zhì)量和受到的力。那么，如何測(cè)量物體的加速度、質(zhì)量和受到的力呢？
2、研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系
[教師] 質(zhì)量可以用天平直接測(cè)量，那么如何測(cè)量一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的加速度呢？你能想到哪些方法？
[學(xué)生] 思考討論后回答
（1）讓物體做初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，用刻度尺測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的位移，用秒表測(cè)量出物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，然后由公式算出。
（2）讓物體做初速度為0的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)物體上連接一條穿過打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的紙帶，根據(jù)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)來測(cè)量加速度。
[教師] 同學(xué)
8、們想到的這些辦法都很好！這些方法的共同特點(diǎn)是直接測(cè)出了加速度的大小。另外，還可以用加速度計(jì)直接測(cè)量。那么不直接測(cè)出加速度，我們能否找出加速度與質(zhì)量之間的定量關(guān)系呢？
[學(xué)生] 思考討論
[教師] 啟發(fā)點(diǎn)拔：我們探究的是加速度與其他量間的關(guān)系，只要我們測(cè)出不同情況下物體加速度的比值就可以了。
[學(xué)生] ①由加速度的公式，如果測(cè)出兩個(gè)初速度為0的勻加速運(yùn)動(dòng)在相同時(shí)間內(nèi)的位移X1 \X2，位移之比就是加速度之比
②由加速度的公式，如果測(cè)出兩個(gè)初速度為0的勻加速運(yùn)動(dòng)在相同位移內(nèi)的時(shí)間t1 \t2,時(shí)間反比的平方就是加速度之比
[教師] 那么我們?nèi)绾伪ＷC兩個(gè)做勻加速運(yùn)動(dòng)的物體運(yùn)動(dòng)相同的時(shí)間？
9、
[學(xué)生] 讓物體同時(shí)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)停止。
[教師] 同學(xué)們看看桌面上的實(shí)驗(yàn)器材，我們用什么器材使物體同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，同時(shí)停止？
[學(xué)生] 在觀察后說出用夾子來控制物體的運(yùn)動(dòng)和停止。
3、研究加速度與物體受力的關(guān)系
[教師] 在現(xiàn)實(shí)中，僅受一個(gè)力的情況幾乎是不存在的。一個(gè)單獨(dú)的力的作用效果與跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的，因此，在實(shí)驗(yàn)中我們只要測(cè)出物體所受的合力即可。那么，如何為運(yùn)動(dòng)的物體提供一個(gè)恒定的合力？又如何測(cè)出這個(gè)合力呢？
[學(xué)生] 可以在繩的一端掛鉤碼，另一端跨過定滑輪拉物體，使物體做勻加速運(yùn)動(dòng)的力就是物體的合力，這個(gè)合力就是鉤碼的重力。通過測(cè)量鉤碼的重力就可測(cè)得物
10、體所受的合力。
[教師] 這個(gè)方案不錯(cuò)。在上面的方案中做勻變速運(yùn)動(dòng)的物體，受的合力就是鉤碼的重力嗎？
[學(xué)生] 由于物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，還要受到滑動(dòng)摩擦力。
[教師] 那么我們?nèi)绾螠p小滑動(dòng)摩擦力，使我們所測(cè)得的鉤碼重力盡可能接近于物體所受的合力？請(qǐng)同學(xué)們討論方法
[學(xué)生] 討論減小滑動(dòng)摩擦力的方法 （1）使用光滑的木板；（2）平衡滑動(dòng)摩擦力 將木板一端墊高，讓物體從木板上勻速滑下，此時(shí)物體的重力分力就等于物體所受的摩擦力。
[教師] 同學(xué)想到的這些方法都很好！當(dāng)我們改變物體受到合力時(shí)，物體的加速度也會(huì)改變。那么我們?nèi)绾胃淖兾矬w所受的合力呢？
[學(xué)生] 改變掛上鉤碼的個(gè)數(shù)就可以改變對(duì)物體
11、的合力。
[教師] 下面請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)上面我們討論的內(nèi)容選定自己的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
4、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理
[學(xué)生] 將自己實(shí)際測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)拿到多媒體展臺(tái)上展示分析，說明自己采用的實(shí)驗(yàn)方案及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
[教師] 同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)做得都很好！下面我們利用計(jì)算機(jī)來處理同學(xué)們實(shí)際測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，看看能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律。
[教師] 找三組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入excel，利用計(jì)算機(jī)做出圖象，再次引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
[教師] 由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與猜想相符合嗎？如果不相符合，原因是什么？
[學(xué)生] 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與
12、我們的猜想不完全一致，原因是我們采用的實(shí)驗(yàn)裝置不夠精密，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。
5、實(shí)驗(yàn)結(jié)論及課堂小結(jié)
[教師] 從剛才的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，同學(xué)們能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？
[學(xué)生] 在物體受力一定時(shí)，物體的質(zhì)量越大，物體的加速度越小；在物體的質(zhì)量一定時(shí)，物體受到的力越大，加速度越大。
[教師] 那么同學(xué)們回想一下我們是怎樣探討加速度與力和質(zhì)量關(guān)系的？
[學(xué)生] 先提出猜想，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后得出結(jié)論。
[教師] 對(duì)！這也是科學(xué)家得出物理規(guī)律的過程?？茖W(xué)家在探討物理規(guī)律的過程中，正是按照以下思路進(jìn)行的：
得出結(jié)論
直覺猜想
進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
數(shù)據(jù)分析
修正猜想
反復(fù)驗(yàn)證
13、（三）本課小結(jié)
教師總結(jié)出本節(jié)課的內(nèi)容、方法。
師： 今天，我們研究了加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系。其中，加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系是本節(jié)課的重點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)得出加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系是本節(jié)課的難點(diǎn)。本節(jié)課更重要的是通過知識(shí)的學(xué)習(xí)與探索使我們獲得了一些研究、思考問題的方法。首先，是貫穿在本節(jié)課整個(gè)探索過程中的思維程序：即“提出問題 猜想 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 得出結(jié)論”。對(duì)待任何問題，我們?cè)诓磺宄湓蛑熬纱竽懖孪胨母鞣N可能性，然后運(yùn)用物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法去檢驗(yàn)、驗(yàn)證猜想是否正確，這是一種科學(xué)探索的方法。另外，本節(jié)課在具體實(shí)驗(yàn)過程中還運(yùn)用了控制變量法和近似處理的方法。即在研究加速度與力和質(zhì)量關(guān)系時(shí)，
14、運(yùn)用了控制變量法；在研究小車受到拉力與鉤碼重力的關(guān)系時(shí)，采用近似處理的辦法。即只有鉤碼的質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車的質(zhì)量時(shí)，才能認(rèn)為鉤碼對(duì)小車的拉力大小就鉤碼的重力。
思維程序：提出問題 猜想 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 得出初步結(jié)論 反復(fù)驗(yàn)證
得出結(jié)論
板書設(shè)計(jì)
1、 加速度與力的關(guān)系
（1） 探究思路：令質(zhì)量不變，研究加速度與力的關(guān)系。
（2） 數(shù)據(jù)處理：以加速度為縱坐標(biāo)，力為橫坐標(biāo)。
（3） 結(jié)論：質(zhì)量不變時(shí)，加速度與力成正比。
2、 加速度與質(zhì)量的關(guān)系
（1） 探究思路：令力不變，研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系。
（2） 數(shù)據(jù)處理：以加速度為縱坐標(biāo)，質(zhì)量倒數(shù)為橫坐標(biāo)。
（3） 結(jié)論：力不變時(shí)，加速度與質(zhì)量成反比。
教學(xué)設(shè)計(jì)說明
“牛頓第二定律”是高中物理力學(xué)部分的重要內(nèi)容，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的規(guī)律是本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本節(jié)是一節(jié)集猜想、實(shí)驗(yàn)、物理規(guī)律于一身的課，其中探究加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系是本節(jié)的核心，也是實(shí)施新的教學(xué)理念的主陣地。在授課中，教師通過教給學(xué)生一些有效的科學(xué)研究方法和實(shí)驗(yàn)方法來發(fā)展學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。
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644-《實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》教學(xué)案例
