《實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》教學(xué)設(shè)計(jì)

1、實(shí)驗(yàn)：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系教學(xué)設(shè)計(jì) 【教學(xué)目標(biāo)】 一、知識(shí)與技能 1理解物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化快慢即加速度大小與力相關(guān)，與質(zhì)量也相關(guān)。 2通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系。 3培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作水平。 二、過(guò)程與方法 1指導(dǎo)學(xué)生半定量地探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系，知道用控制變量法實(shí)行實(shí)驗(yàn)。 2引導(dǎo)學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)行實(shí)驗(yàn)。 3對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)行處理，并能根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果得出結(jié)論。 三、情感、態(tài)度、價(jià)值觀 1通過(guò)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)實(shí)事求是、尊重客觀規(guī)律的科學(xué)態(tài)度。 2通過(guò)探究激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)新精神。 3培養(yǎng)與人合作的團(tuán)隊(duì)精神。 【教學(xué)重點(diǎn)】 1控制變量法的使用。 2如何提出實(shí)驗(yàn)方案，并使實(shí)

2、驗(yàn)方案合理可行。 3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理。 【教學(xué)難點(diǎn)】 1在老師引導(dǎo)下提出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案。 2實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程。 【教學(xué)用具】 多媒體課件，小車(chē)（20輛，每輛車(chē)上貼上質(zhì)量為200g，貼上“參照車(chē)”與“實(shí)驗(yàn)車(chē)”字樣），一端帶有滑輪的長(zhǎng)木板（20個(gè)），一次性小塑料口杯及棉線套（20個(gè)，質(zhì)量可忽略），50g規(guī)格鉤碼10盒（每盒10個(gè)），托盤(pán)天平砝碼20盒，刻度尺（米尺），線繩若干，鐵文件夾10個(gè)，計(jì)算機(jī)和大屏幕投影系統(tǒng)一套，計(jì)算器。 【教學(xué)要求】 上課地點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)室，共分成10組，五個(gè)學(xué)生一組，每組男、女生都要有，選出組長(zhǎng)一名。每組桌上貼上組號(hào)，每個(gè)學(xué)生發(fā)學(xué)案一張，每組同學(xué)帶課本，計(jì)算器，鉛筆。

3、【課時(shí)安排】 2課時(shí)（第1課時(shí)探究實(shí)驗(yàn)方案，第2課時(shí)實(shí)驗(yàn)操作、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出結(jié)論） 【教學(xué)過(guò)程】 一、第1課時(shí)：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（教師組織學(xué)生討論并回答學(xué)案上的問(wèn)題） 問(wèn)題1：本節(jié)課研究物體運(yùn)動(dòng)的加速度大小跟什么相關(guān)，請(qǐng)同學(xué)們先猜一猜加速度大小跟什么相關(guān)？ 教師注意：學(xué)生可能猜出質(zhì)量和力以外的因素，教師引導(dǎo)或告之本節(jié)課只探究加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系。 問(wèn)題2：請(qǐng)同學(xué)們猜一猜加速度與力、質(zhì)量有什么關(guān)系，列舉出實(shí)例。 如果學(xué)生說(shuō)不出實(shí)例，教師能夠列舉以下典型的例子：綠燈亮后，摩托車(chē)先沖出，然后小轎車(chē)，最后載重貨車(chē)，說(shuō)明質(zhì)量大加速度小；方程式賽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率大，啟動(dòng)快，加速度大，說(shuō)明力大加速度大。 播

4、放以上例子的視頻。 問(wèn)題3：能否從理論上驗(yàn)證力越大，加速度越大；質(zhì)量越大，加速度越小是合理的？ 參考答案：力是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因，力大運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易改變，而運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變快慢是用加速度來(lái)描述的，所以力大，加速度大；質(zhì)量是慣性大小的量度，質(zhì)量大，慣性大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)難改變，即加速度小。 教師注意：學(xué)生回答這個(gè)問(wèn)題時(shí)，容易用舉實(shí)例法，教師注意引導(dǎo)從理論出發(fā)。 問(wèn)題4：研究一個(gè)物理量同時(shí)與兩個(gè)物理量有什么關(guān)系，理應(yīng)采用什么方法？ 學(xué)生很容易回答出用控制變量法。 問(wèn)題5：初中用過(guò)這種辦法嗎？舉例說(shuō)明。（安排此問(wèn)題的目的是向?qū)W生實(shí)行物理學(xué)研究方法的教育） 參考答案：在討論電流與電壓、電阻兩個(gè)量是什么關(guān)系時(shí)；在

5、討論壓強(qiáng)與壓力、作用面積兩個(gè)量是什么關(guān)系時(shí)。 問(wèn)題6：保持質(zhì)量一定，怎樣研究加速度與力的關(guān)系，或保持力一定，怎樣研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系？ 學(xué)生會(huì)回答出用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)出幾個(gè)加速度及所對(duì)應(yīng)的力，分析加速度與力關(guān)系或加速度與質(zhì)量關(guān)系，若不提測(cè)加速度，可追問(wèn)如何測(cè)出加速度。 以上6個(gè)問(wèn)題難度不大，建議采用單獨(dú)讓某個(gè)學(xué)生回答的方式即可，不必給時(shí)間實(shí)行小組內(nèi)討論。 問(wèn)題7：鑒于用紙帶測(cè)出加速度是我們已經(jīng)掌握的一種技能，所以本次探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系不想用此方法。請(qǐng)同學(xué)們另外設(shè)計(jì)出一種切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方法？ （1）闡述實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)及對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的初步設(shè)計(jì)。 （2）在此理論框架內(nèi)，具體的實(shí)驗(yàn)方案是什么？ 組內(nèi)

6、討論6分鐘，每組組長(zhǎng)準(zhǔn)備發(fā)言。 在學(xué)生討論期間，教師巡視參與討論交流，如果時(shí)間過(guò)半還有一些組提不出方案，教師可提醒該組學(xué)生參考課本43頁(yè)“做一做”欄目，再討論 參考答案： 理論依據(jù)及初步設(shè)計(jì)：兩物體均做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，由x=知，相同時(shí)間內(nèi)的位移關(guān)系，就是他們的加速度關(guān)系。 具體實(shí)驗(yàn)方案：課本78頁(yè)參考案例。學(xué)生在闡述時(shí)可能（1）（2）兩個(gè)問(wèn)題混在一起說(shuō)出，只要合理、清晰即可；另外理論依據(jù)與方案課本上都有，學(xué)生看了課本就很容易回答此問(wèn)題。引申問(wèn)題：在此理論依據(jù)下，能否再設(shè)計(jì)出一種實(shí)驗(yàn)方案，組內(nèi)討論10分鐘后組長(zhǎng)發(fā)言。（討論后，剛才只提出課本上方案的組重點(diǎn)發(fā)言，已經(jīng)提出不同于課本上方案

7、的組也可以再提出第3種方案。）教師組織同學(xué)們對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，只要合理可行即可。最后教師指出：本節(jié)課用課本78頁(yè)的方案。問(wèn)題8：繩拉小車(chē)的力是小車(chē)受的合力嗎？學(xué)生很容易提出還有摩擦力。問(wèn)題9：我們必須要使繩拉小車(chē)的力成為小車(chē)受到的合力，否則還要計(jì)算滑動(dòng)摩擦力，使問(wèn)題復(fù)雜化，那么怎樣去掉摩擦力呢？組內(nèi)討論5分鐘后組長(zhǎng)發(fā)言。參考答案：（1）用重力分力平衡掉摩擦力（教師可投影圖片解釋?zhuān)?，為此可以傾斜木板，直到小車(chē)放上后恰能靜止或被輕推后勻速。（2）減小摩擦力直到可忽略，可采用氣墊導(dǎo)軌。第2課時(shí)：做實(shí)驗(yàn)并記錄、分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論一、實(shí)驗(yàn)前教師做以下交待：1為了節(jié)省時(shí)間，教師給學(xué)生做一下分工，1-5組

8、探究加速度與力的關(guān)系，參照表一和表二要求（見(jiàn)學(xué)案）；6-10組探究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，參照表三和表四要求（見(jiàn)學(xué)案），要填寫(xiě)好表格。2平衡摩擦力時(shí)不必將拴有口杯小桶的繩子解下，車(chē)后拖的繩子也不用解下，放在車(chē)上即可。3注意鐵夾子的位置。4注意實(shí)驗(yàn)中同學(xué)之間互相配合，如誰(shuí)扶住板，誰(shuí)控制鐵夾開(kāi)啟、閉合，誰(shuí)負(fù)責(zé)更換砝碼和保證繩在滑輪內(nèi)并負(fù)責(zé)保護(hù)儀器，誰(shuí)負(fù)責(zé)測(cè)量記錄等。附：表一（兩車(chē)質(zhì)量均為200g+100g）參照車(chē)實(shí)驗(yàn)車(chē)組別繩上掛的鉤碼/g（代表力F1）位移x1/cm繩上掛的鉤碼/g（代表力F2）位移x2/cm1203022040320504206052070表二（兩車(chē)質(zhì)量均為200g+100g）組別1

9、15220325430535表三（兩車(chē)?yán)K上掛的鉤碼均為40g）參照車(chē)實(shí)驗(yàn)車(chē)組別車(chē)和車(chē)上砝碼總質(zhì)量/g（代表質(zhì)量m1）位移x1/cm車(chē)和車(chē)上砝碼總質(zhì)量/g（代表質(zhì)量m2）位移x2/cm13002002300400330050043006005300700表四（兩車(chē)?yán)K上掛的鉤碼均為40g）組別12/3=06724/3=13335/3=16746/3=20057/3=233（以上實(shí)驗(yàn)過(guò)程36 min）二、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并得出結(jié)論讓學(xué)生分析表二和表四，并得出結(jié)論。參考答案：在兩車(chē)質(zhì)量一樣的情況下，實(shí)驗(yàn)車(chē)受的力是參照車(chē)的多少倍，加速度就是參照車(chē)的多少倍，說(shuō)明加速度與力成正比；在兩車(chē)受力一樣的情況下，實(shí)驗(yàn)車(chē)

10、總質(zhì)量是參照車(chē)的幾倍，加速度就是參照車(chē)的幾分之一，說(shuō)明加速度與質(zhì)量成反比?！菊n堂小結(jié)】1高中第一次接觸控制變量法。2愛(ài)因斯坦有一句名言：“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要”，因此猜想出加速度與質(zhì)量、力的關(guān)系比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證重要，提出實(shí)驗(yàn)方案比實(shí)驗(yàn)操作重要，通過(guò)本節(jié)課，大家要好好體會(huì)。3體會(huì)合作的含義，現(xiàn)代科研是需要團(tuán)隊(duì)精神的。【作業(yè)】1思考題：除了摩擦力以外，你覺(jué)得引起誤差的主要原因還有什么？為克服這一問(wèn)題，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)出改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方案。2思考題：用氣墊導(dǎo)軌做實(shí)驗(yàn)可以基本消除摩擦力影響，如果結(jié)合光電計(jì)時(shí)器也可以測(cè)量加速度大小，大家參考課本32頁(yè)第4題設(shè)計(jì)一個(gè)探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，條件是沒(méi)有滑

11、輪系統(tǒng)。教學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明：1鐵文件夾的方案有系統(tǒng)誤差，為什么教學(xué)中仍然采用？（1）筆者認(rèn)為越是樸素、簡(jiǎn)單的器材，越能反映出實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，越能體現(xiàn)物理的研究之美，另外器材的簡(jiǎn)單必然導(dǎo)致學(xué)生主體地位的體現(xiàn)，即從操作，到測(cè)量記錄，再到計(jì)算分析都是學(xué)生動(dòng)手完成，學(xué)生在行動(dòng)中充分體會(huì)實(shí)驗(yàn)的原理和技巧，提高了能力。（2）當(dāng)然，為了解決鐵夾子閉合后相對(duì)繩子還要運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，筆者在上課前也嘗試了一些改進(jìn)措施，但發(fā)現(xiàn)都不如鐵文件夾方案效果好，如利用數(shù)碼相機(jī)拍照的方案，相機(jī)的反應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)，車(chē)都要碰上定滑輪了，畫(huà)面還沒(méi)有被定格。再如筆者設(shè)計(jì)出車(chē)后拖紙帶，紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，利用手同時(shí)迅速按一下兩個(gè)振片使振針在兩個(gè)紙

12、帶上留下一個(gè)點(diǎn)跡，從而得到兩輛車(chē)運(yùn)動(dòng)的位移，但是操作中發(fā)現(xiàn)紙帶總被限位孔磨破從而被卡住。（3）沒(méi)有按照教參上的方法對(duì)鐵文件夾進(jìn)行固定改進(jìn)，因?yàn)椴捎檬职醋A子的方法效果也不錯(cuò)，只是由于學(xué)校只有一種50g規(guī)格的鉤碼，所以用一次性塑料口杯做成小桶來(lái)裝鉤碼和天平的砝碼，算是一點(diǎn)改進(jìn)。至于做幾次實(shí)驗(yàn)，每一次的車(chē)質(zhì)量與力大小完全參照教參上的案例。2為什么學(xué)生提出用鐵文件夾的方案后，還要求設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案？（1）因?yàn)檎n本上有此方案，學(xué)生肯定都作了預(yù)習(xí)，所以提出鐵文件夾的方案“設(shè)計(jì)”的成分大打折扣，讓學(xué)生討論有走形式，假探究之嫌。（2）重新設(shè)計(jì)出不同的實(shí)驗(yàn)方案，有助于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。3課本上沒(méi)有平衡摩擦力這一

13、環(huán)節(jié)，為什么要加上這一環(huán)節(jié)？（1）提高準(zhǔn)確性。（2）剛剛學(xué)完力的分解，可以復(fù)習(xí)檢驗(yàn)這部分知識(shí)，同時(shí)體會(huì)分解力的實(shí)際應(yīng)用。（3）為牛頓第二定律中F為F合做鋪墊。教學(xué)過(guò)程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)完成情況簡(jiǎn)介：1學(xué)生在回答第6個(gè)問(wèn)題時(shí)，說(shuō)出力大，加速度就大后，說(shuō)出力與加速度成正比的結(jié)論，同樣依據(jù)質(zhì)量大，加速度就小得出加速度與質(zhì)量成反比的結(jié)論，老師及時(shí)作了糾正。2在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)上：（1）學(xué)生說(shuō)出讓兩輛車(chē)同時(shí)啟動(dòng)，同時(shí)靜止，這樣運(yùn)動(dòng)時(shí)間就一樣，根據(jù)x=，位移關(guān)系，就是加速度關(guān)系老師馬上意識(shí)到學(xué)生看了課本的實(shí)驗(yàn)案例，指出若表達(dá)成同時(shí)啟動(dòng)，同時(shí)靜止，則全程的加速度是變化的，公式x=并不適用，在此時(shí)只能直接給出課本的案例

14、，同時(shí)問(wèn)學(xué)生鐵文件夾閉合后車(chē)是馬上停止嗎？引導(dǎo)學(xué)生得出應(yīng)該表述成兩輛車(chē)同時(shí)啟動(dòng)，運(yùn)動(dòng)相同時(shí)間，位移關(guān)系，就是加速度關(guān)系，同時(shí)也看出了實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)缺陷，閉合鐵文件夾后線繩相對(duì)夾子還要運(yùn)動(dòng)，測(cè)出的位移并不準(zhǔn)。（2）在學(xué)生自己設(shè)計(jì)方案時(shí)，為了降低難度，老師搭設(shè)了一個(gè)臺(tái)階，提醒：理論依據(jù)仍為x=，可以更換夾子，克服夾不住的毛病。第一組設(shè)計(jì)出為繩子加限位孔，孔上加裝可以同時(shí)滴顏色水的滴管裝置，可以在繩上留下記號(hào)。又提醒若沒(méi)有鐵夾子，也沒(méi)有拖著的線繩怎么辦？第十組設(shè)計(jì)出用數(shù)碼相機(jī)頻閃照相的方法，但提出讓兩車(chē)位移同，第六組同學(xué)作了補(bǔ)充，頻閃照相，研究?jī)纱纹毓庵g小車(chē)的位移，老師又引導(dǎo)只研究從靜止到第一次曝光

15、時(shí)刻的位移即可，因?yàn)橐脁=的理論依據(jù)。此時(shí)學(xué)生的興奮性較高，如果再給一段時(shí)間，學(xué)生肯定還可以提出新的實(shí)驗(yàn)方案，但為了教學(xué)進(jìn)度，老師只能說(shuō)課下再作交流。3平衡摩擦力的環(huán)節(jié)進(jìn)展順利，在老師引導(dǎo)下學(xué)生答出正確答案。4分析處理數(shù)據(jù)（1）某組同學(xué)的數(shù)據(jù)如下：表一（兩車(chē)質(zhì)量均為200g+100g）參照車(chē)實(shí)驗(yàn)車(chē)組別繩上掛的鉤碼/g（代表力F1）位移x1/cm繩上掛的鉤碼/g（代表力F2）位移x2/cm1203530502202340433202050464201960505201757059表二（兩車(chē)質(zhì)量均為200g+100g）組別11514322018732523430263535337表三（兩車(chē)?yán)K上掛

16、的鉤碼均為40g）參照車(chē)實(shí)驗(yàn)車(chē)組別車(chē)和車(chē)上砝碼總質(zhì)量/g（代表質(zhì)量m1）位移x1/cm車(chē)和車(chē)上砝碼總質(zhì)量/g（代表質(zhì)量m2）位移x2/cm130033520051523004340035330058500434300566003153004070021表四（兩車(chē)?yán)K上掛的鉤碼均為40g）組別12/3=06715424/3=13308135/3=16707446/3=20005557/3=2330525（2）教師后來(lái)用此組數(shù)據(jù)作出的圖象如下：教學(xué)后記：第二天的物理課上，又給出多半節(jié)課的時(shí)間繼續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和回答兩道思考題，在x=的理論框架內(nèi)，學(xué)生又提出幾種切實(shí)可行的方案，如用邊緣涂有顏色的尺子突然按在

17、繩子上留下記號(hào)；用攝像機(jī)錄像再研究定格的畫(huà)面等，有同學(xué)甚至提出用刀同時(shí)切斷繩子的方法，雖不太適合采用，但也反映出同學(xué)思維的創(chuàng)造性。在回答思考題1時(shí)學(xué)生提出兩種改進(jìn)方案較好，一是在鐵夾子的上口涂顏色，應(yīng)該說(shuō)還是屬于較傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，二是在閉合夾子的瞬間松開(kāi)手，讓夾子被繩子帶走，其他學(xué)生做一些保護(hù)措施，這種方法非常有創(chuàng)造性，應(yīng)該是一種不拘泥于常規(guī)的方法，反映出學(xué)生潛在的創(chuàng)造能力是非常巨大的。另外，有同學(xué)提出造成實(shí)驗(yàn)誤差的主要原因還有一個(gè)是兩車(chē)摩擦力情況不一樣，即在兩車(chē)質(zhì)量與受力情況一樣時(shí)，兩車(chē)加速的步調(diào)并不相同，但學(xué)生提不出改進(jìn)措施，我認(rèn)為除了更換小車(chē)直到兩車(chē)同步調(diào)的方法外也沒(méi)有其他辦法。在回答思考題2時(shí)，在老師引導(dǎo)下，學(xué)生順利地提出傾斜導(dǎo)軌獲得重力的分力充當(dāng)動(dòng)力的方法，改變導(dǎo)軌傾角，讓導(dǎo)軌上端點(diǎn)的高度加倍，則傾角的正弦加倍，則動(dòng)力加倍，再看加速度變化的情況，則可研究出a與F的關(guān)系；但在如何探究a與m的關(guān)系時(shí)遇到了困難，不好保持力不變，因?yàn)楸３謱?dǎo)軌傾角不變，在滑塊上添加砝碼，改變了滑塊的質(zhì)量也改變了重力分力的大小，討論的結(jié)果只能是滑塊質(zhì)量加倍后，讓導(dǎo)軌上端點(diǎn)的高度減半，則傾角的正弦減半，則動(dòng)力可以保持不變。教學(xué)反思：1關(guān)于時(shí)間分配問(wèn)題首先實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)最能體現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)造能力，應(yīng)該多花一些時(shí)間，學(xué)生在課堂上能提出切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)方案，而且思維相當(dāng)活躍，在思維高