dis實(shí)驗(yàn)探究第二定律教學(xué)設(shè)計(jì)

1、DIS實(shí)驗(yàn)探究牛頓第二定律伍秀峰 2009-12-25一、知識(shí)與技能1、知道牛頓第二定律是如何從控制變量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得到的2、熟悉DIS系統(tǒng)，知道加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系是如何從圖像中得出的。3、掌握牛頓第二定律的文字內(nèi)容和數(shù)學(xué)公式；二、過(guò)程與方法1、以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，歸納得到物體的加速度跟它的質(zhì)量及所受外力的關(guān)系，進(jìn)而總結(jié)出牛頓第二定律。2、培養(yǎng)學(xué)生的概括能力和分析推理能力。三、情感、態(tài)度與價(jià)值觀1、實(shí)驗(yàn)探究規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)物理學(xué)的興趣。2、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。3、通過(guò)對(duì)aF、a1m的探究，一定程度上讓學(xué)生體驗(yàn)探究帶來(lái)的樂(lè)趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。教學(xué)重點(diǎn)對(duì)aF、

2、a1m的探究牛頓第二定律教學(xué)難點(diǎn)對(duì)探究性實(shí)驗(yàn)的把握。牛頓第二定律的意義教學(xué)方法本節(jié)課主要采取的是“實(shí)驗(yàn)探究”教學(xué)方式。復(fù)習(xí)回顧，創(chuàng)設(shè)情景，實(shí)驗(yàn)探究，歸納總結(jié)。四、教具小車、軌道（一端帶有定滑輪）；50g鉤碼（一盒），細(xì)繩、5g小鉤碼若干，水平儀；位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等。五、教學(xué)過(guò)程（一）新課引入師：什么是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變？其原因是什么？生：物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變指的是物體的速度發(fā)生了變化；其原因是受到了力的作用。師：物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變除了與力有關(guān)，還與哪些因素有關(guān)？生：還與質(zhì)量有關(guān)（可能需要引導(dǎo)得出）師：（同時(shí)播放PPT）所以，一條線上，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，其實(shí)質(zhì)就是速度發(fā)生了改變，也

3、就是產(chǎn)生了加速度；另一條線上，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變與力和質(zhì)量有關(guān)。所以物體的加速度與它受到的力和它本身的質(zhì)量有關(guān)，具體是什么樣的關(guān)系，就是我們今天的內(nèi)容。那么怎么去研究它們之間的定量關(guān)系呢？加速度與兩個(gè)量相關(guān)，可以采用什么方法？（板書(shū)）控制變量法。師：怎么控制變量？控制質(zhì)量不變和控制外力不變。（點(diǎn)評(píng)：此處課上處理為了教師自問(wèn)自答，應(yīng)當(dāng)將回答的權(quán)利放給學(xué)生，讓學(xué)生群體回答也可，這樣可以更好地與學(xué)生互動(dòng)）（二）實(shí)驗(yàn)部分1、介紹裝置（略）2、平衡摩擦力：理想的實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)水平的光滑的板上進(jìn)行，但是實(shí)際中找不出光滑的軌道，因此可以將軌道傾斜一點(diǎn)，用小車的下滑力平衡掉摩擦力，讓小車（向下端）基本處于勻速

4、運(yùn)動(dòng)。（此時(shí)打開(kāi)車上發(fā)射器，點(diǎn)擊軟件中“牛頓第二定律”，采集一段數(shù)據(jù)出現(xiàn)了圖像）。師：我們所使用的是位移傳感器，也可以叫做運(yùn)動(dòng)傳感器；在你們印象中，勻速直線運(yùn)動(dòng)的位移-時(shí)間圖像是怎樣的？生群答：是一條傾斜的直線。師：但是此時(shí)我們得到的是一條基本平行于橫軸的線，這說(shuō)明我們得到的圖像應(yīng)該是什么圖像？生群答：應(yīng)該是速度-時(shí)間（v-t）圖像。（如答不出，還可引導(dǎo)）師：所以，今天我們的位移傳感器通過(guò)軟件，直接測(cè)出來(lái)的是小車的速度，直接得到的圖像是v-t圖像，而我們要研究的加速度，就是v-t圖像上的什么？斜率。3、加速度和力的關(guān)系：（控制質(zhì)量不變） 實(shí)驗(yàn)過(guò)程：帶有位移傳感器發(fā)射端的小車，放在軌道上，小車的

5、前端系上細(xì)繩，繩的另一端跨過(guò)定滑輪可掛鉤碼，掛上數(shù)量不等的鉤碼，（每次在表格欄內(nèi)記錄下鉤碼的總重）使小車在不同的拉力下做勻加速運(yùn)動(dòng)。通過(guò)DIS系統(tǒng)得到v-t圖像，選取其中勻加速部分進(jìn)行擬合得到小車的加速度，再對(duì)表格中所有數(shù)據(jù)進(jìn)行a-F圖線擬合，觀察加速度與外力的關(guān)系。師：我們以小鉤碼的重量來(lái)代表小車所受的拉力，注意小鉤碼的質(zhì)量應(yīng)比小車小很多。小車（連同傳感器）質(zhì)量是已測(cè)得的247g，鉤碼的質(zhì)量是5g（有印），那么一個(gè)鉤碼對(duì)小車產(chǎn)生的拉力是多少？(如果g取9.8m/s2)生：是0.049N。（居然這個(gè)也需要思考一段時(shí)間，正好準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)）師：好，現(xiàn)在我對(duì)表中填上小車質(zhì)量和拉力，質(zhì)量不變我后面的空就不

6、用填了；每次我將增加一個(gè)小鉤碼，于是我先把拉力填上（四個(gè)）。（演示）先把小車放在左端（遠(yuǎn)離滑輪的一段），點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”，放開(kāi)小車讓其滑下，小車受阻擋停止后點(diǎn)擊“停止采集”，得到了第一次的v-t圖像。此時(shí)的加速度我應(yīng)該取哪一段來(lái)求？生：取傾斜的那一段。師：好，（演示）我選擇傾斜的這一段中比較平直的部分，然后點(diǎn)擊“曲線擬合”，得到的斜率，也就是加速度會(huì)自動(dòng)顯示在對(duì)應(yīng)的一格中。下面我增加一個(gè)小鉤碼，重復(fù)上面的步驟（演示），得到了第二次v-t圖像，感覺(jué)上這一次的斜率比上一次怎么樣？生：好像變大了一些。師：那說(shuō)明加速度會(huì)怎么樣？變大。我們來(lái)擬合一下，得到此次的加速度果然變大了。再仔細(xì)觀察加速度的值（比

7、較小，要讀出），一個(gè)鉤碼時(shí)是0.1662，兩個(gè)鉤碼時(shí)是0.3409，有點(diǎn)像什么關(guān)系？生：像是正比關(guān)系。師：那我們繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（做完全部4次，得到a-F表格）?，F(xiàn)在我們得到了加速度與外力對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表格，我要想很直觀地看出a-F的關(guān)系，應(yīng)當(dāng)作出什么來(lái)觀察？生：作出加速度對(duì)力的圖像。（可能需要引導(dǎo)）師：好，我們最后點(diǎn)擊按鈕，以加速度為縱軸，外力為橫軸自動(dòng)擬合a-F圖像（演示），得到一條直線，但是沒(méi)有過(guò)原點(diǎn)，這跟我們預(yù)期的正比關(guān)系似乎有些距離，會(huì)不會(huì)是誤差比較大導(dǎo)致的呢？我們另外來(lái)看一次做的比較精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)（幻燈片式播放a-F文件夾內(nèi)圖片），再次感受一下實(shí)驗(yàn)的過(guò)程；先是一個(gè)鉤碼的時(shí)候，注意v-t圖像的斜

8、率，（幻燈片自動(dòng)跳到下一張）增加了一個(gè)鉤碼，斜率增加了再增加鉤碼，斜率繼續(xù)增加，說(shuō)明小車的加速度隨著拉力的增大而增大，具體是怎么增大的呢？（最后一張）a-F圖像是一條過(guò)原點(diǎn)的直線。也就是說(shuō)質(zhì)量不變的情況下，加速度正比于外力，（板書(shū)）m一定時(shí)，（點(diǎn)評(píng)：此處在課堂上處理的不得當(dāng)，使學(xué)生們感覺(jué)到了似乎實(shí)驗(yàn)失敗了的感覺(jué)；其實(shí)a-F圖像的截距明顯是平衡摩擦力不足的，反而可以保存下來(lái)與“精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)”作對(duì)比，討論下這個(gè)截距的產(chǎn)生給了拉力還沒(méi)有拉動(dòng)，小車還受到什么影響？摩擦力。其實(shí)這一點(diǎn)在平衡摩擦力的v-t圖中已有伏筆，那個(gè)圖就是速度略有減小的。來(lái)得及的話，更可以再加大一些傾角（平衡摩擦力）再測(cè)量一次，此次截距

9、將減小甚至完全成為正比關(guān)系，那將使學(xué)生留下更深刻的印象。）【例一】如果6N的力作用在一個(gè)物體上，使它產(chǎn)生了3m/s2的加速度，那么一個(gè)2N的力作用在這個(gè)物體上產(chǎn)生的加速度是多少？ 生：1m/s2。（這個(gè)對(duì)學(xué)生已無(wú)難度）4、加速度和質(zhì)量的關(guān)系（控制外力不變）師：下面控制變量第二步，控制外力不變。老師將保持小車所受拉力始終為兩個(gè)小鉤碼的重量，研究加速度與小車質(zhì)量的關(guān)系。怎么研究呢？與上面類似的，我先空車測(cè)量一次，然后每次對(duì)車上增加一個(gè)大鉤碼（50g），以此改變小車質(zhì)量，研究加速度跟質(zhì)量的關(guān)系。（細(xì)節(jié)略）師：得到加速度和質(zhì)量的數(shù)據(jù)表之后，我們同樣作出a-m圖像，不是一條直線，但是像是什么？生：像反比

10、曲線。師：好，那我們看看是不是反比關(guān)系，取質(zhì)量的倒數(shù)為橫坐標(biāo)，再擬合一次（演示），果然得到一條直線，但是這次的誤差仍然存在。我們?cè)賮?lái)對(duì)比一下精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)（播放a-m文件夾中圖片），感受一下實(shí)驗(yàn)的過(guò)程；直接得到的v-t圖像的斜率，雖然不明顯，但還是可以看出來(lái)，隨著質(zhì)量的增大而減小；具體怎么減小，作出a-m圖是個(gè)曲線不好討論，但是像反比；于是作出a-1/m發(fā)現(xiàn)是一條過(guò)原點(diǎn)的直線；所以（板書(shū)）F一定時(shí)，a。（點(diǎn)評(píng)：此處也是與上面類似的問(wèn)題，其實(shí)誤差都是可以討論的，這里的截距又是在橫軸上，說(shuō)明幾個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)上加速度整體都顯得偏低了些摩擦力影響。另外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中“化曲為直”的思想未能傳達(dá)給學(xué)生們，這一點(diǎn)應(yīng)當(dāng)

11、改進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生們自己說(shuō)出怎樣選取橫軸。）【例二】一個(gè)力作用在6kg的物體上產(chǎn)生了2m/s2的加速度，那么這個(gè)力作用在3kg的物體上將產(chǎn)生多大的加速度？ 4m/s25、牛頓第二定律 表述 物體的加速度跟作用力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，且加速度的方向跟引起這個(gè)加速度的力的方向相同。公式表示：a或者Fma 即：（板書(shū)）F=kma 師：其中F=kma里的等號(hào)體現(xiàn)了力的效果使物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，產(chǎn)生了加速度。那么這個(gè)比例系數(shù)k究竟取多少呢？國(guó)際單位制中牛頓的定義：使質(zhì)量為1kg的物體產(chǎn)生1m/s2的加速度的力叫做1N。也就是1N=1kgm/s2。（板書(shū)）得到F=ma牛頓第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式。師：通

12、過(guò)表達(dá)式，得到a=F/m，我們還學(xué)過(guò)加速度等于什么？生：v/t師：出現(xiàn)了兩個(gè)式子，怎么去區(qū)分它們呢？v/t是加速度的定義式，而a=F/m是加速度的決定式。（點(diǎn)評(píng)：此處課堂上疏忽，把后者的等號(hào)說(shuō)成了是“等效”的意思，需要糾正。另外此處也可以處理得再細(xì)膩一些，比如加速度是描述速度變化快慢的，它的定義就是 而后面的式子是從F=ma變化來(lái)的，指一個(gè)物體的加速度由它所受的外力決定）師：（演示雙手拉彈簧）彈簧受到了力的作用，它卻沒(méi)有產(chǎn)生加速度，難道這時(shí)候牛頓第二定律是不成立的了嗎？師：不是的對(duì)于物體受多個(gè)力的情況，牛頓第二定律有其推廣： 當(dāng)物體受到幾個(gè)力的作用時(shí)，牛頓第二定律也是正確的，不過(guò)這時(shí)F代表的是

13、物體所受外力的合力（也叫做合外力）。牛頓第二定律更一般的表述是：（板書(shū)）物體的加速度跟所受的合外力成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。即F合ma 【例三】從牛頓第二定律知道，無(wú)論怎樣小的力都可以使物體產(chǎn)生加速度?？墒俏覀冇昧μ嵋粋€(gè)很重的物體時(shí)卻提不動(dòng)它，這跟牛頓第二定律有無(wú)矛盾？為什么？ 答：由公式F合=ma看，F(xiàn)合應(yīng)為合外力，對(duì)重物受力分析（板書(shū)），應(yīng)有F+N=mg，所以合力為F+N-mg=0，即合外力為0，所以物體沒(méi)有產(chǎn)生加速度。牛頓第二定律的矢量性即公式中的F合與a都是矢量，且二者方向相同，a取決于F合的方向?！纠摹?傾角為的光滑斜面上有一個(gè)質(zhì)量為m的物塊，它所受的合力為_(kāi)，加速度為_(kāi)？ 師：既然放在矢量性說(shuō)此題，那就可能用到矢量性。同學(xué)們想想看，這個(gè)物塊加速的方向，只可能是什么方向？生：沿斜面向下的方向。師：（板書(shū)畫(huà)圖）選取物塊為研究對(duì)象，它受到重力和斜面對(duì)它的支持力，其合理方向應(yīng)與加速度方向相同（矢量性），所以我們可以確定地作出合力的平行四邊形，得到合力為（以下略）（三）課堂