《实验：探究加速度与力、质量的关系》教学设计天津市第一百中

《实验：探究加速度与力、质量的关系》教学设计天津市第一百中学李春华【教学目标】一、知识与技能1．理解物体运动状态的变化快慢即加速度大小与力有关，与质量也有关。2．通过实验探究加速度与力和质量的定量关系。3．培养学生动手操作能力。二、过程与方法1．指导学生半定量地探究加速度与力和质量的关系，知道用控制变量法进行实验。2．引导学生自己设计实验，并根据设计进行实验。3．对实验数据进行处理，并能根据数据结果得出结论。三、情感、态度、价值观1．通过实验，培养实事求是、尊重客观规律的科学态度。2．通过探究激发学生的求知欲和创新精神。3．培养与人合作的团队精神。【教学重点】1．控制变量法的使用。2．如何提出实验方案，并使实验方案合理可行。3．实验数据的分析和处理。【教学难点】1．在老师引导下提出切实可行的实验方案。2．实验的操作过程。【教学用具】多媒体课件，小车（20辆，每辆车上贴上质量为200g，贴上“参照车”与“实验车”字样），一端带有滑轮的长木板（20个），一次性小塑料口杯及棉线套（20个，质量可忽略），50g规格钩码10盒（每盒10个），托盘天平砝码20盒，刻度尺（米尺），线绳若干，铁文件夹10个，计算机和大屏幕投影系统一套，计算器。【教学要求】上课地点为实验室，共分成10组，五个学生一组，每组男、女生都要有，选出组长一名。每组桌上贴上组号，每个学生发学案一张，每组同学带课本，计算器，铅笔。【课时安排】2课时（第1课时探究实验方案，第2课时实验操作、分析实验数据、得出结论）【教学过程】一、第1课时：设计实验方案（教师组织学生讨论并回答学案上的问题）问题1：本节课研究物体运动的加速度大小跟什么有关，请同学们先猜一猜加速度大小跟什么有关？教师注意：学生可能猜出质量和力以外的因素，教师引导或告之本节课只探究加速度与力和质量的关系。问题2：请同学们猜一猜加速度与力、质量有什么关系，列举出实例。如果学生说不出实例，教师可以列举以下典型的例子：绿灯亮后，摩托车先冲出，然后小轿车，最后载重货车，说明质量大加速度小；方程式赛车的发动机功率大，启动快，加速度大，说明力大加速度大。播放以上例子的视频。问题3：能否从理论上验证力越大，加速度越大；质量越大，加速度越小是合理的？参考答案：力是改变运动状态的原因，力大运动状态容易改变，而运动状态的改变快慢是用加速度来描述的，因此力大，加速度大；质量是惯性大小的量度，质量大，惯性大，运动状态难改变，即加速度小。教师注意：学生回答这一问题时，容易用举实例法，教师注意引导从理论出发。问题4：研究一个物理量同时与两个物理量有什么关系，应当采用什么方法？学生很容易回答出用控制变量法。问题5：初中用过这种办法吗？举例说明。（安排此问题的目的是向学生进行物理学研究方法的教育）参考答案：在讨论电流与电压、电阻两个量是什么关系时；在讨论压强与压力、作用面积两个量是什么关系时。问题6：保持质量一定，怎样研究加速度与力的关系，或保持力一定，怎样研究加速度与质量的关系？学生会回答出用打点计时器测出几个加速度及所对应的力，分析加速度与力关系或加速度与质量关系，若不提测加速度，可追问如何测出加速度。以上6个问题难度不大，建议采用单独让某个学生回答的方式即可，不必给时间进行小组内讨论。问题7：鉴于用纸带测出加速度是我们已经掌握的一种技能，因此本次探究加速度与力、质量关系不想用此方法。请同学们另外设计出一种切实可行的实验方法？（1）阐述实验的理论依据及对实验方法的初步设计。（2）在此理论框架内，具体的实验方案是什么？组内讨论6分钟，每组组长准备发言。在学生讨论期间，教师巡视参与讨论交流，如果时间过半还有一些组提不出方案，教师可提醒该组学生参考课本43页“做一做”栏目，再讨论．参考答案：理论依据及初步设计：两物体均做初速度为零的匀加速直线运动，由x=知，相同时间内的位移关系，就是他们的加速度关系。具体实验方案：课本78页参考案例。学生在阐述时可能（1）（2）两个问题混在一起说出，只要合理、清晰即可；另外理论依据与方案课本上都有，学生看了课本就很容易回答此问题。引申问题：在此理论依据下，能否再设计出一种实验方案，组内讨论10分钟后组长发言。（讨论后，刚才只提出课本上方案的组重点发言，已经提出不同于课本上方案的组也可以再提出第3种方案。）教师组织同学们对各种方案进行评价，只要合理可行即可。最后教师指出：本节课用课本78页的方案。问题8：绳拉小车的力是小车受的合力吗？学生很容易提出还有摩擦力。问题9：我们必须要使绳拉小车的力成为小车受到的合力，否则还要计算滑动摩擦力，使问题复杂化，那么怎样去掉摩擦力呢？组内讨论5分钟后组长发言。参考答案：（1）用重力分力平衡掉摩擦力（教师可投影图片解释），为此可以倾斜木板，直到小车放上后恰能静止或被轻推后匀速。（2）减小摩擦力直到可忽略，可采用气垫导轨。第2课时：做实验并记录、分析数据，得出结论一、实验前教师做以下交待：1．为了节省时间，教师给学生做一下分工，1-5组探究加速度与力的关系，参照表一和表二要求（见学案）；6-10组探究加速度与质量的关系，参照表三和表四要求（见学案），要填写好表格。2．平衡摩擦力时不必将拴有口杯小桶的绳子解下，车后拖的绳子也不用解下，放在车上即可。3．注意铁夹子的位置。4．注意实验中同学之间互相配合，如谁扶住板，谁控制铁夹开启、闭合，谁负责更换砝码和保证绳在滑轮内并负责保护仪器，谁负责测量记录等。附：表一（两车质量均为200g+100g）参照车实验车组别绳上挂的钩码/g（代表力F1）位移x1/cm绳上挂的钩码/g（代表力F2）位移x2/cm1203022040320504206052070表二（两车质量均为200g+100g）组别11．522．032．543．053．5表三（两车绳上挂的钩码均为40g）参照车实验车组别车和车上砝码总位移x1/cm车和车上砝码总位移x2/cm质量/g（代表质量m1）质量/g（代表质量m2）13002002300400330050043006005300700表四（两车绳上挂的钩码均为40g）组别12/3=0．6724/3=1．3335/3=1．6746/3=2．0057/3=2．33（以上实验过程36min）二、分析实验数据并得出结论让学生分析表二和表四，并得出结论。参考答案：在两车质量一样的情况下，实验车受的力是参照车的多少倍，加速度就是参照车的多少倍，说明加速度与力成正比；在两车受力一样的情况下，实验车总质量是参照车的几倍，加速度就是参照车的几分之一，说明加速度与质量成反比。【课堂小结】1．高中第一次接触控制变量法。2．爱因斯坦有一句名言：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要”，因此猜想出加速度与质量、力的关系比实验验证重要，提出实验方案比实验操作重要，通过本节课，大家要好好体会。3．体会合作的含义，现代科研是需要团队精神的。【作业】1．思考题：除了摩擦力以外，你觉得引起误差的主要原因还有什么？为克服这一问题，请设计出改进的实验方案。2．思考题：用气垫导轨做实验可以基本消除摩擦力影响，如果结合光电计时器也可以测量加速度大小，大家参考课本32页第4题设计一个探究加速度与力、质量关系的实验，条件是没有滑轮系统。教学设计说明：1．铁文件夹的方案有系统误差，为什么教学中仍然采用？（1）笔者认为越是朴素、简单的器材，越能反映出实验的本质，越能体现物理的研究之美，另外器材的简单必然导致学生主体地位的体现，即从操作，到测量记录，再到计算分析都是学生动手完成，学生在行动中充分体会实验的原理和技巧，提高了能力。（2）当然，为了解决铁夹子闭合后相对绳子还要运动的问题，笔者在上课前也尝试了一些改进措施，但发现都不如铁文件夹方案效果好，如利用数码相机拍照的方案，相机的反应时间太长，车都要碰上定滑轮了，画面还没有被定格。再如笔者设计出车后拖纸带，纸带穿过打点计时器的限位孔，利用手同时迅速按一下两个振片使振针在两个纸带上留下一个点迹，从而得到两辆车运动的位移，但是操作中发现纸带总被限位孔磨破从而被卡住。（3）没有按照《教参》上的方法对铁文件夹进行固定改进，因为采用手按住夹子的方法效果也不错，只是由于学校只有一种50g规格的钩码，所以用一次性塑料口杯做成小桶来装钩码和天平的砝码，算是一点改进。至于做几次实验，每一次的车质量与力大小完全参照《教参》上的案例。2．为什么学生提出用铁文件夹的方案后，还要求设计新的实验方案？（1）因为课本上有此方案，学生肯定都作了预习，所以提出铁文件夹的方案“设计”的成分大打折扣，让学生讨论有走形式，假探究之嫌。（2）重新设计出不同的实验方案，有助于创新能力的培养。3．课本上没有平衡摩擦力这一环节，为什么要加上这一环节？（1）提高准确性。（2）刚刚学完力的分解，可以复习检验这部分知识，同时体会分解力的实际应用。（3）为牛顿第二定律中F为F合做铺垫。教学过程中关键环节完成情况简介：1．学生在回答第6个问题时，说出力大，加速度就大后，说出力与加速度成正比的结论，同样依据质量大，加速度就小得出加速度与质量成反比的结论，老师及时作了纠正。2．在设计实验的环节上：（1）学生说出让两辆车同时启动，同时静止，这样运动时间就一样，根据x=，位移关系，就是加速度关系．老师马上意识到学生看了课本的实验案例，指出若表达成同时启动，同时静止，则全程的加速度是变化的，公式x=并不适用，在此时只能直接给出课本的案例，同时问学生铁文件夹闭合后车是马上停止吗？引导学生得出应该表述成两辆车同时启动，运动相同时间，位移关系，就是加速度关系，同时也看出了实验中的一个缺陷，闭合铁文件夹后线绳相对夹子还要运动，测出的位移并不准。（2）在学生自己设计方案时，为了降低难度，老师搭设了一个台阶，提醒：理论依据仍为x=，可以更换夹子，克服夹不住的毛病。第一组设计出为绳子加限位孔，孔上加装可以同时滴颜色水的滴管装置，可以在绳上留下记号。又提醒若没有铁夹子，也没有拖着的线绳怎么办？第十组设计出用数码相机频闪照相的方法，但提出让两车位移同，第六组同学作了补充，频闪照相，研究两次曝光之间小车的位移，老师又引导只研究从静止到第一次曝光时刻的位移即可，因为要用x=的理论依据。此时学生的兴奋性较高，如果再给一段时间，学生肯定还可以提出新的实验方案，但为了教学进度，老师只能说课下再作交流。3．平衡摩擦力的环节进展顺利，在老师引导下学生答出正确答案。4．分析处理数据（1）某组同学的数据如下：表一（两车质量均为200g+100g）参照车实验车组别绳上挂的钩码/g（代表力F1）位移x1/cm绳上挂的钩码/g（代表力F2）位移x2/cm12035305022023404332020504642019605052017．57059表二（两车质量均为200g+100g）组别11．51．4322．01．8732．52．343．02．6353．53．37表三（两车绳上挂的钩码均为40g）参照车实验车组别车和车上砝码总质量/g（代表质量m1）位移x1/cm车和车上砝码总质量/g（代表质量m2）位移x2/cm130033．520051．523004340035330058500434300566003153004070021表四（两车绳上挂的钩码均为40g）组别12/3=0．671．5424/3=1．330．8135/3=1．670．7446/3=2．000．5557/3=2．330．525（2）教师后来用此组数据作出的图象如下：教学后记：第二天的物理课上，又给出多半节课的时间继续实验设计和回答两道思考题，在x=的理论框架内，学生又提出几种切实可行的方案，如用边缘涂有颜色的尺子突然按在绳子上留下记号；用摄像机录像再研究定格的画面等，有同学甚至提出用刀同时切断绳子的方法，虽不太适合采用，但也反映出同学思维的创造性。在回答思考题1时学生提出两种改进方案较好，一是在铁夹子的上口涂颜色，应该说还是属于较传统的设计，二是在闭合夹子的瞬间松开手，让夹子被绳子带走，其他学生做一些保护措施，这种方法非常有创造性，应该是一种不拘泥于常规