探究加速度與力、質量的關系教學設計

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

一、教材地位

1.本節是前一節《牛頓第一定律》認知過程的延續，更是下一節《牛頓第二定律》的理論和實驗基礎。

2.本實驗是學生第一次利用系統的科學探究的方法進行物理探究，實驗涉及到控制變量法、比較法和圖象法等一些方法。

3.考綱對本節的內容要求是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。

二、教學設計思路

本節教學沿著探究過程的各個要素逐層展開，通過情境的創設和問題思考引導學生積極投入到探究的過程。

實驗設計充分考慮學生的認知基礎，依據學生所有的知識體系一步步設計出加速度、質量和力的測量方法，通過分析討論得出利用控制變量法開展實驗探究過程。

教學中充分體現學生在探究過程中的主體地位，充分尊重學生的自主探究過程。

三、教學目標

1.知識與技能

⑴通過實驗探究加速度與力、質量的定量關系。

⑵通過探究理解加速度與力、質量的關系。

⑶培養學生的科學探究能力以及實驗的設計、調節和控制能力。

2.過程與方法

⑴引導學生切實參與探究的過程，體會科學探究的基本流程。

⑵通過探究過程滲透科學方法，如控制變量法，比較法和圖像分析法等。

3.情感、態度、價值觀

⑴體會探究過程所帶來的成就感，培養學習的信心和積極的情緒。

⑵通過探究過程體會合作的重要性，培養團隊精神。

⑶培養嚴謹科學的探究態度，形成科學素養。

四、重點、難點

實驗設計的過程及數據處理

五、器材

⑴附有滑輪的長木板1塊；⑵小車1個；⑶帶小盤的細線1條；⑷規格不同砝碼和鉤碼各一盒；⑸紙帶；⑹打點計時器；⑺學生電源；⑻導線和電鍵；⑼ 刻度尺；⑽天平；⑾小木塊；⑿計算機 投影儀及課件。

六、教學過程

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

（設計原則：創設問題情境，形成認知沖突，激發探索興趣。）

探究過程：

1.提出問題

師：物體運動狀態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？

生：與汽車的質量和牽引力有關系。

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。

教師帶領學生形成初步假設：物體的加速度與其質量和受力有關。

（設計原則：利用已有認知，強化探索的動機和欲望。）

2.猜想與假設

師：加速度質量、合外力可能有怎樣的關系？

生：力越大，加速度越大；質量越大，加速度越小。

師：請大家猜想：物體的加速度與力和質量之間可能會有怎樣的定量關系？

（學生思考討論后回答）

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，科學的方法是從最簡單的關系開始研究，上述猜想中最簡單的關系是什么？

生： a∝F， a∝1/m

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

（設計原則：由定性的感覺到定量的猜想，由模糊漸變到清晰。）

3.設計實驗、制定實驗計劃

師：我們要研究哪些物理量？

生：需要測量加速度，質量和力三個物理量。

①加速度的測量

師：如何通過實驗得到物體的加速度？

（學生分組討論）

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：測出物體運動的位移和時間帶入方程計算即可求加速度。

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

師：（綜合學生的討論，引導學生比較幾種方案的優劣）要得到物體的加速度，我們的確應該設計一個勻加速的過程，而加速度的計算可以利用打點計時器實驗完成。下面請大家觀察桌上的器材，設計一種測量加速度的具體方案。（學生觀察器材討論方案）

（說明：尊重學生的主體地位，通過學生獨立的設計和思考培養學生解決問題的能力，既要肯定學生的設計，又要引導學生尋找合適的方法。）

生：利用掛有鉤碼的細線拉動小車在長木板上從靜止開始做勻加速運動，利用打點計時器和紙帶測量物體運動的位移和時間。根據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量呢？

②質量的測量

生：用天平測出小車的質量。

師：實驗中要探究質量對加速度的影響我們還需要怎么做？

（引導學生思考探究的方案。）

生：改變小車質量多次測量。

③力的測量

師：如何為小車的運動設計一個合外力？

生：用繩上鉤碼的重力充當小車合力，用天平測出鉤碼質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：作為系統誤差的來源，暫時可以不講鉤碼質量對小車合外力的影響，把重點放在如何“去掉”摩擦力上。）

生1：使用光滑的木板。

學生討論：現實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。

教師引導學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沒有掛鉤碼的小車能在木板上做勻速直線運動。

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，我們如何在實驗中改變合力的大小？

生：改變鉤碼的個數。

④探究方法

師：我們已經知道如何獲得運動小車的加速度，質量和力。但是實驗中同時出現了兩個變量：質量和力。如何進行研究比較好？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，可以準確的發現加速度與變量之間的關系。

師：很好！我們可以先保持小車質量不變研究加速度跟力的關系，再保持力不變研究加速度跟小車質量的關系，我們在初中學習歐姆定律時曾經接觸過這樣的方法，稱作控制變量法。請大家按照這個思路設計實驗步驟。

學生每四人一小組分工設計實驗步驟，設計數據記錄表格。

（設計原則：在這一環節的教學上必須循序漸進的引導學生去逐步解決問題，對于難點，教師要做到含蓄的引導，切忌代替學生完成，當需要解決的問題一一明朗時，學生的設計也就水到渠成了，步驟和數據的收集完全可以放手讓學生自行設計完成。）

4.進行實驗與收集數據

安排學生按照所設計的步驟分組開始實驗：

①學生通過小組合作組裝實驗器材，進行實驗。

②教師巡回指導，對實驗中遇到的突發問題引導、幫助學生加以分析解決。

③學生進行實驗數據的收集和整理。

（說明：嚴密監控學生實驗，做到形式上放手，實質上參與，關注實驗中出現的共性問題。）

實驗完成

師：如何對實驗所得的數據進行分析？

生：分別算出質量一定時的F/a，如果其比值是一個常數，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，說明 a∝1/m。

師：大家結合自己的實驗分析這種處理方法是否合適。

生：由于實驗存在誤差，實驗結果不可能完全嚴格的滿足正比關系，我認為應該考慮實驗的誤差因素進行數據分析。

師：事實上直接比較的確會帶來比較大的誤差，除了數據比較之外我們還可以選擇怎樣的方法進行分析呢？

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

師：圖象法是我們進行實驗數據分析的常用手段，而且利用圖象法可以有效的減小實驗中的誤差。下面就請大家利用手中的數據作出a-F圖像和a-1/m

（巡視學生的作圖過程）

（設計原則：數據分析是探究過程的重要組成部分，也是學生能力培養的重要一環。引導學生思考處理數據的可能方法，促使學生分析和解決問題的能力再次升華，能力的培養也為以后的實驗打下了基礎。）

5.分析與論證

投影展示學生實驗成果

師：圖像中所有的點是否在同一直線上，如果不在一條直線上，點的離散是實際的必然還是實驗中的偶然？圖像是否是一條通過原點的直線，直線如有偏離，是實際的必然還是實驗中的偶然？

學生討論回答：點不全在同一條直線上，圖像也不是顯然的通過原點，可能是我們的實驗不夠精密或者是實驗中的誤差所導致。也有可能是我們的猜想有問題。

師：很好，大家能夠實事求是的分析實驗結果而不被自己初始的猜想所左右，這是一種很好的科學態度，在探究過程中我們不能妄下結論，一個結論往往要經過多次反復的實驗才能最終形成。下面我利用你們的數據，借助電腦模擬出，請大家觀察它們的特點。

（老師用電腦擬合圖像并展示）

生：觀察發現圖像和圖像的線性關系更不明顯。

教師引導學生分析上述現象的成因：通過比較發現a-F，a-1/m圖像更接近線性關系，因此我們有理由堅定我們的猜想a∝F， a∝1/m。當然，更精確的結果還需要進一步的實驗驗證。

形成初步結論：a∝F， a∝1/m

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

6.評估、交流與合作

學生交流實驗成果，包括實驗的過程設計（步驟），數據和信息等。通過討論評估其科學性。通過交流發現他人設計中的優點，對自己的設計進行修改和完善。

七、板書設計

八、布置作業

對自己的實驗結果進行進一步的分析和處理，分析圖像中出現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行思考，設計實驗探究過程。