探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系教學(xué)設(shè)計

【中圖分類號】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）12-0178-02

一、教材地位

1.本節(jié)是前一節(jié)《牛頓第一定律》認(rèn)知過程的延續(xù)，更是下一節(jié)《牛頓第二定律》的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2.本實(shí)驗(yàn)是學(xué)生第一次利用系統(tǒng)的科學(xué)探究的方法進(jìn)行物理探究，實(shí)驗(yàn)涉及到控制變量法、比較法和圖象法等一些方法。

3.考綱對本節(jié)的內(nèi)容要求是Ⅱ級，在歷次模擬及高考中命題頻率都較高，它的思想和方法一直是考察的熱點(diǎn)。

二、教學(xué)設(shè)計思路

本節(jié)教學(xué)沿著探究過程的各個要素逐層展開，通過情境的創(chuàng)設(shè)和問題思考引導(dǎo)學(xué)生積極投入到探究的過程。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計充分考慮學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)，依據(jù)學(xué)生所有的知識體系一步步設(shè)計出加速度、質(zhì)量和力的測量方法，通過分析討論得出利用控制變量法開展實(shí)驗(yàn)探究過程。

教學(xué)中充分體現(xiàn)學(xué)生在探究過程中的主體地位，充分尊重學(xué)生的自主探究過程。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.知識與技能

⑴通過實(shí)驗(yàn)探究加速度與力、質(zhì)量的定量關(guān)系。

⑵通過探究理解加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系。

⑶培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力以及實(shí)驗(yàn)的設(shè)計、調(diào)節(jié)和控制能力。

2.過程與方法

⑴引導(dǎo)學(xué)生切實(shí)參與探究的過程，體會科學(xué)探究的基本流程。

⑵通過探究過程滲透科學(xué)方法，如控制變量法，比較法和圖像分析法等。

3.情感、態(tài)度、價值觀

⑴體會探究過程所帶來的成就感，培養(yǎng)學(xué)習(xí)的信心和積極的情緒。

⑵通過探究過程體會合作的重要性，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神。

⑶培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的探究態(tài)度，形成科學(xué)素養(yǎng)。

四、重點(diǎn)、難點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計的過程及數(shù)據(jù)處理

五、器材

⑴附有滑輪的長木板1塊；⑵小車1個；⑶帶小盤的細(xì)線1條；⑷規(guī)格不同砝碼和鉤碼各一盒；⑸紙帶；⑹打點(diǎn)計時器；⑺學(xué)生電源；⑻導(dǎo)線和電鍵；⑼ 刻度尺；⑽天平；⑾小木塊；⑿計算機(jī) 投影儀及課件。

六、教學(xué)過程

引入：多媒體展示生活照汽車啟動的視頻，引導(dǎo)學(xué)生比較賽車、小汽車、卡車運(yùn)動狀態(tài)改變的快慢（粗略比較）

（設(shè)計原則：創(chuàng)設(shè)問題情境，形成認(rèn)知沖突，激發(fā)探索興趣。）

探究過程：

1.提出問題

師：物體運(yùn)動狀態(tài)的改變用什么物理量來描述？

生：加速度。

師：汽車的加速度可能與哪些因素有關(guān)？

生：與汽車的質(zhì)量和牽引力有關(guān)系。

師：一般小汽車從靜止加速到一定速度，只需十幾秒的時間，而滿載的貨車加速就慢得多。

教師帶領(lǐng)學(xué)生形成初步假設(shè)：物體的加速度與其質(zhì)量和受力有關(guān)。

（設(shè)計原則：利用已有認(rèn)知，強(qiáng)化探索的動機(jī)和欲望。）

2.猜想與假設(shè)

師：加速度質(zhì)量、合外力可能有怎樣的關(guān)系？

生：力越大，加速度越大；質(zhì)量越大，加速度越小。

師：請大家猜想：物體的加速度與力和質(zhì)量之間可能會有怎樣的定量關(guān)系？

（學(xué)生思考討論后回答）

猜想1：

猜想2：

師：研究問題的過程中我們不可能把每種猜想都探究一遍，科學(xué)的方法是從最簡單的關(guān)系開始研究，上述猜想中最簡單的關(guān)系是什么？

生： a∝F， a∝1/m

師：好，接下來就讓我們從這個最簡單的關(guān)系角度去開始我們的探究之旅吧。（板書課題）

（設(shè)計原則：由定性的感覺到定量的猜想，由模糊漸變到清晰。）

3.設(shè)計實(shí)驗(yàn)、制定實(shí)驗(yàn)計劃

師：我們要研究哪些物理量？

生：需要測量加速度，質(zhì)量和力三個物理量。

①加速度的測量

師：如何通過實(shí)驗(yàn)得到物體的加速度？

（學(xué)生分組討論）

生1：用頻閃照相的方法測量出物體的位移和時間，求加速度。

生2：測出物體運(yùn)動的位移和時間帶入方程計算即可求加速度。

生3：首先應(yīng)該確保物體做勻變速運(yùn)動，最好是初速度為零，測量出物體運(yùn)動的位移和時間，即可以求得加速度。

師：（綜合學(xué)生的討論，引導(dǎo)學(xué)生比較幾種方案的優(yōu)劣）要得到物體的加速度，我們的確應(yīng)該設(shè)計一個勻加速的過程，而加速度的計算可以利用打點(diǎn)計時器實(shí)驗(yàn)完成。下面請大家觀察桌上的器材，設(shè)計一種測量加速度的具體方案。（學(xué)生觀察器材討論方案）

（說明：尊重學(xué)生的主體地位，通過學(xué)生獨(dú)立的設(shè)計和思考培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，既要肯定學(xué)生的設(shè)計，又要引導(dǎo)學(xué)生尋找合適的方法。）

生：利用掛有鉤碼的細(xì)線拉動小車在長木板上從靜止開始做勻加速運(yùn)動，利用打點(diǎn)計時器和紙帶測量物體運(yùn)動的位移和時間。根據(jù)或求得小車的加速度。

師：這個方案不錯，但是我們怎么測量小車的質(zhì)量呢？

②質(zhì)量的測量

生：用天平測出小車的質(zhì)量。

師：實(shí)驗(yàn)中要探究質(zhì)量對加速度的影響我們還需要怎么做？

（引導(dǎo)學(xué)生思考探究的方案。）

生：改變小車質(zhì)量多次測量。

③力的測量

師：如何為小車的運(yùn)動設(shè)計一個合外力？

生：用繩上鉤碼的重力充當(dāng)小車合力，用天平測出鉤碼質(zhì)量即可得合力的大小。

師：鉤碼的重力就是小車的合力嗎？請大家討論一下。

生：木板存在摩擦，因此鉤碼重力不是小車的合力。

師：怎么處理可以讓鉤碼的重力盡量接近小車的合力？

（說明：作為系統(tǒng)誤差的來源，暫時可以不講鉤碼質(zhì)量對小車合外力的影響，把重點(diǎn)放在如何“去掉”摩擦力上。）

生1：使用光滑的木板。

學(xué)生討論：現(xiàn)實(shí)中不存在絕對光滑的表面。

生2：用重力的分力抵消掉滑動摩擦力。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析討論得出平衡摩擦力的方法：在長木板沒有滑輪的一端墊一小木塊，左右移動小木塊直到?jīng)]有掛鉤碼的小車能在木板上做勻速直線運(yùn)動。

教師利用多媒體課件展示平衡摩擦力的方法和要求。

師：解決了摩擦力問題，我們?nèi)绾卧趯?shí)驗(yàn)中改變合力的大小？

生：改變鉤碼的個數(shù)。

④探究方法

師：我們已經(jīng)知道如何獲得運(yùn)動小車的加速度，質(zhì)量和力。但是實(shí)驗(yàn)中同時出現(xiàn)了兩個變量：質(zhì)量和力。如何進(jìn)行研究比較好？為什么？

生（討論）：分別研究比較好，同時改變的話，無法確定加速度的改變是由哪個量變化引起的。且變量不容易控制。保證其中一個量不變而只改變另外一個，可以準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)加速度與變量之間的關(guān)系。

師：很好！我們可以先保持小車質(zhì)量不變研究加速度跟力的關(guān)系，再保持力不變研究加速度跟小車質(zhì)量的關(guān)系，我們在初中學(xué)習(xí)歐姆定律時曾經(jīng)接觸過這樣的方法，稱作控制變量法。請大家按照這個思路設(shè)計實(shí)驗(yàn)步驟。

學(xué)生每四人一小組分工設(shè)計實(shí)驗(yàn)步驟，設(shè)計數(shù)據(jù)記錄表格。

（設(shè)計原則：在這一環(huán)節(jié)的教學(xué)上必須循序漸進(jìn)的引導(dǎo)學(xué)生去逐步解決問題，對于難點(diǎn)，教師要做到含蓄的引導(dǎo)，切忌代替學(xué)生完成，當(dāng)需要解決的問題一一明朗時，學(xué)生的設(shè)計也就水到渠成了，步驟和數(shù)據(jù)的收集完全可以放手讓學(xué)生自行設(shè)計完成。）

4.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與收集數(shù)據(jù)

安排學(xué)生按照所設(shè)計的步驟分組開始實(shí)驗(yàn)：

①學(xué)生通過小組合作組裝實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

②教師巡回指導(dǎo)，對實(shí)驗(yàn)中遇到的突發(fā)問題引導(dǎo)、幫助學(xué)生加以分析解決。

③學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和整理。

（說明：嚴(yán)密監(jiān)控學(xué)生實(shí)驗(yàn)，做到形式上放手，實(shí)質(zhì)上參與，關(guān)注實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的共性問題。）

實(shí)驗(yàn)完成

師：如何對實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析？

生：分別算出質(zhì)量一定時的F/a，如果其比值是一個常數(shù)，說明a∝F，同時可以算出F一定條件下的ma，如果是一個常數(shù)，說明 a∝1/m。

師：大家結(jié)合自己的實(shí)驗(yàn)分析這種處理方法是否合適。

生：由于實(shí)驗(yàn)存在誤差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可能完全嚴(yán)格的滿足正比關(guān)系，我認(rèn)為應(yīng)該考慮實(shí)驗(yàn)的誤差因素進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

師：事實(shí)上直接比較的確會帶來比較大的誤差，除了數(shù)據(jù)比較之外我們還可以選擇怎樣的方法進(jìn)行分析呢？

生（討論后回答）：如果我們猜想的關(guān)系是正確的，那么作出的a-F圖像和a-1/m圖像應(yīng)該是一條過原點(diǎn)的直線。

師：圖象法是我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的常用手段，而且利用圖象法可以有效的減小實(shí)驗(yàn)中的誤差。下面就請大家利用手中的數(shù)據(jù)作出a-F圖像和a-1/m

（巡視學(xué)生的作圖過程）

（設(shè)計原則：數(shù)據(jù)分析是探究過程的重要組成部分，也是學(xué)生能力培養(yǎng)的重要一環(huán)。引導(dǎo)學(xué)生思考處理數(shù)據(jù)的可能方法，促使學(xué)生分析和解決問題的能力再次升華，能力的培養(yǎng)也為以后的實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)。）

5.分析與論證

投影展示學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果

師：圖像中所有的點(diǎn)是否在同一直線上，如果不在一條直線上，點(diǎn)的離散是實(shí)際的必然還是實(shí)驗(yàn)中的偶然？圖像是否是一條通過原點(diǎn)的直線，直線如有偏離，是實(shí)際的必然還是實(shí)驗(yàn)中的偶然？

學(xué)生討論回答：點(diǎn)不全在同一條直線上，圖像也不是顯然的通過原點(diǎn)，可能是我們的實(shí)驗(yàn)不夠精密或者是實(shí)驗(yàn)中的誤差所導(dǎo)致。也有可能是我們的猜想有問題。

師：很好，大家能夠?qū)嵤虑笫堑姆治鰧?shí)驗(yàn)結(jié)果而不被自己初始的猜想所左右，這是一種很好的科學(xué)態(tài)度，在探究過程中我們不能妄下結(jié)論，一個結(jié)論往往要經(jīng)過多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)才能最終形成。下面我利用你們的數(shù)據(jù)，借助電腦模擬出，請大家觀察它們的特點(diǎn)。

（老師用電腦擬合圖像并展示）

生：觀察發(fā)現(xiàn)圖像和圖像的線性關(guān)系更不明顯。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析上述現(xiàn)象的成因：通過比較發(fā)現(xiàn)a-F，a-1/m圖像更接近線性關(guān)系，因此我們有理由堅定我們的猜想a∝F， a∝1/m。當(dāng)然，更精確的結(jié)果還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

形成初步結(jié)論：a∝F， a∝1/m

（設(shè)計思想：分析和論證的過程需要科學(xué)的依據(jù)，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果僅僅是一個初步的結(jié)論，電腦擬合圖像的比較對學(xué)生的猜想起到了積極的作用，為初步結(jié)論的形成提供了一定的理論依據(jù)。）

6.評估、交流與合作

學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)成果，包括實(shí)驗(yàn)的過程設(shè)計（步驟），數(shù)據(jù)和信息等。通過討論評估其科學(xué)性。通過交流發(fā)現(xiàn)他人設(shè)計中的優(yōu)點(diǎn)，對自己的設(shè)計進(jìn)行修改和完善。

七、板書設(shè)計

八、布置作業(yè)

對自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理，分析圖像中出現(xiàn)的具體問題的可能原因。

針對課本所提供的另外一種加速度測量比較方案進(jìn)行思考，設(shè)計實(shí)驗(yàn)探究過程。