《實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》教學(xué)案例摘要：高中物理新課標提出，高中物理課程有助于學(xué)生繼續(xù)學(xué)習基本的物理知識與技能；體驗科學(xué)探究過程，了解科學(xué)探究方法；增強創(chuàng)新意識和實踐能力，發(fā)展探索自然、理解自然的興趣與熱情。為此，新教材中專門編入了探究課，這也是新教材的特色之一。如何上好探究課，充分發(fā)揮其功能。本案例以新教材必修1第四章第二節(jié)《實驗：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系》為例，沿提出問題，猜想與假設(shè)，設(shè)計實驗，進行實驗，數(shù)據(jù)處理與分析，反復(fù)驗證，得出結(jié)論的思路進行設(shè)計，以學(xué)生為主體，充分發(fā)揮其主動性，并用計算機對數(shù)據(jù)進行分析處理，集科學(xué)性、方法性于一體，供參考。教學(xué)目標：一、知識目標：(1)理解力是使物體產(chǎn)生加速度的原因、質(zhì)量是慣性大小的量度；(2)知道得出加速度和力的關(guān)系的實驗，理解加速度和力的關(guān)系；(3)知道得出加速度和質(zhì)量的關(guān)系的實驗，理解加速度和質(zhì)量的關(guān)系。二、能力目標通過實驗研究總結(jié)出加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系。培養(yǎng)學(xué)生的實驗?zāi)芰Α⒏爬芰头治鐾评砟芰ΑＨ⒌掠繕梭w會探究過程中的所用的科學(xué)方法；認識到由實驗歸納總結(jié)物理規(guī)律是物理學(xué)研究的重要方法；建立嚴謹?shù)目茖W(xué)實驗觀。教學(xué)重點：1、指導(dǎo)學(xué)生找到探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的思路和方法2、怎樣提供和測量物體所受的力教學(xué)難點：讓學(xué)生通過實驗探究得出數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行處理，進而自己歸納出a與F和m的關(guān)系是本節(jié)的難點。教學(xué)儀器：多媒體、小車、一端帶滑輪長軌道、鉤碼、刻度尺等。教學(xué)過程(一)引入新課[教師]牛頓第一定律告訴我們物體在不受力的情況下保持的運動狀態(tài)是靜止或勻速運動。那么，同學(xué)們考慮過沒有物體在受到力的情況下的運動狀態(tài)是怎樣的呢？這節(jié)課我們就來研究問題。[教師]用多媒體投影機出示學(xué)生思考的問題：1、物體運動狀態(tài)的改變是指哪個物理量的改變？標志物體運動狀態(tài)變化快慢的物理量是什么？2、對于任何物體，在它們受到相同作用力時，決定它們狀態(tài)變化難易程度的唯一性因素是什么？[學(xué)生]物體運動狀態(tài)的改變是速度的改變，標志物體運動狀態(tài)變化快慢的物理量是加速度。對于任何物體，在它們受到相同作用力時，決定它們狀態(tài)變化難易程度的唯一性因素是物體的質(zhì)量。[教師]由上節(jié)學(xué)習可知：物體的質(zhì)量越大，物體的運動狀態(tài)越難改變，物體的質(zhì)量越小，物體的運動狀態(tài)越容易改變。請同學(xué)們根據(jù)上節(jié)所學(xué)知識猜想：物體的運動狀態(tài)的變化快慢即物體加速度的大小與什么物理量有關(guān)？請同學(xué)們舉例說明。[學(xué)生]加速度的大小可能與物體的質(zhì)量和受到的力有關(guān)。例如，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。比賽用的小汽車，可以在很短時間內(nèi)達到很快的速度，而一般的小汽車卻不能。[教師]剛才同學(xué)舉的例子很好！請同學(xué)們猜想加速度的大小與物體的質(zhì)量和受力有怎樣的定量關(guān)系？[學(xué)生]物體加速度的大小與物體的質(zhì)量成正比，和物體的質(zhì)量成反比。[教師]物體的加速度是否與物體的受力成正比，與物體的質(zhì)量成反比呢？同學(xué)們的猜想是否正確呢？這節(jié)課我們通過實驗來探求物體的加速度與物體的質(zhì)量和物體受力的定量關(guān)系。(二)教學(xué)過程設(shè)計1、實驗研究方法的確定[教師]加速度的大小既與物體的受力有關(guān)，又和物體的質(zhì)量有關(guān)，那么我們應(yīng)采用什么樣的方法來研究加速度的大小與物體的受力和物體的質(zhì)量之間的定量關(guān)系呢？[學(xué)生]可以先研究加速度與物體受力的關(guān)系，再研究加速度與物體的質(zhì)量的關(guān)系。[教師]很好！當研究三個物理量之間的關(guān)系時，先要保持某個量不變，研究另外兩個量之間的關(guān)系，再保持另一個量不變，研究其余兩個量之間的關(guān)系，然后綜合起來得出結(jié)論。這種研究問題的方法叫控制變量法，是物理學(xué)中研究和處理問題時經(jīng)常用到的方法。[教師]用多媒體投影機展示控制變量法的含義。[教師]在這個實驗中，我們應(yīng)怎樣用控制變量法來研究加速度與物體的質(zhì)量和受力之間的定量關(guān)系呢？[學(xué)生]可以保持物體的質(zhì)量不變，測量物體在不同的力作用下的加速度，分析加速度與力的關(guān)系；也可以保持物體所受的力不變，測量不同質(zhì)量的物體在該力作用下的加速度，分析加速度與質(zhì)量的關(guān)系。[教師]很好！要研究加速度與物體的質(zhì)量和受力之間的關(guān)系，就需要測量物體的加速度、質(zhì)量和受到的力。那么，如何測量物體的加速度、質(zhì)量和受到的力呢？2、研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系[教師]質(zhì)量可以用天平直接測量，那么如何測量一個運動物體的加速度呢？你能想到哪些方法？[學(xué)生]思考討論后回答（1）讓物體做初速度為0的勻加速直線運動，用刻度尺測量物體運動的位移，用秒表測量出物體運動的時間，然后由公式算出。（2）讓物體做初速度為0的勻加速直線運動，在運動物體上連接一條穿過打點計時器的紙帶，根據(jù)打點計時器在紙帶上打出的點來測量加速度。[教師]同學(xué)們想到的這些辦法都很好！這些方法的共同特點是直接測出了加速度的大小。另外，還可以用加速度計直接測量。那么不直接測出加速度，我們能否找出加速度與質(zhì)量之間的定量關(guān)系呢？[學(xué)生]思考討論[教師]啟發(fā)點拔：我們探究的是加速度與其他量間的關(guān)系，只要我們測出不同情況下物體加速度的比值就可以了。[學(xué)生]=1\*GB3①由加速度的公式，如果測出兩個初速度為0的勻加速運動在相同時間內(nèi)的位移X1\X2，位移之比就是加速度之比=2\*GB3②由加速度的公式，如果測出兩個初速度為0的勻加速運動在相同位移內(nèi)的時間t1\t2,時間反比的平方就是加速度之比[教師]那么我們?nèi)绾伪ＷC兩個做勻加速運動的物體運動相同的時間？[學(xué)生]讓物體同時運動，同時停止。[教師]同學(xué)們看看桌面上的實驗器材，我們用什么器材使物體同時開始運動，同時停止？[學(xué)生]在觀察后說出用夾子來控制物體的運動和停止。3、研究加速度與物體受力的關(guān)系[教師]在現(xiàn)實中，僅受一個力的情況幾乎是不存在的。一個單獨的力的作用效果與跟它大小、方向都相同的合力的作用效果是相同的，因此，在實驗中我們只要測出物體所受的合力即可。那么，如何為運動的物體提供一個恒定的合力？又如何測出這個合力呢？[學(xué)生]可以在繩的一端掛鉤碼，另一端跨過定滑輪拉物體，使物體做勻加速運動的力就是物體的合力，這個合力就是鉤碼的重力。通過測量鉤碼的重力就可測得物體所受的合力。[教師]這個方案不錯。在上面的方案中做勻變速運動的物體，受的合力就是鉤碼的重力嗎？[學(xué)生]由于物體在相對運動，還要受到滑動摩擦力。[教師]那么我們?nèi)绾螠p小滑動摩擦力，使我們所測得的鉤碼重力盡可能接近于物體所受的合力？請同學(xué)們討論方法[學(xué)生]討論減小滑動摩擦力的方法（1）使用光滑的木板；（2）平衡滑動摩擦力將木板一端墊高，讓物體從木板上勻速滑下，此時物體的重力分力就等于物體所受的摩擦力。[教師]同學(xué)想到的這些方法都很好！當我們改變物體受到合力時，物體的加速度也會改變。那么我們?nèi)绾胃淖兾矬w所受的合力呢？[學(xué)生]改變掛上鉤碼的個數(shù)就可以改變對物體的合力。[教師]下面請同學(xué)們根據(jù)上面我們討論的內(nèi)容選定自己的實驗方案進行實驗，記錄實驗數(shù)據(jù)，并對實驗數(shù)據(jù)進行處理，分析得出實驗結(jié)論。4、實驗數(shù)據(jù)的處理[學(xué)生]將自己實際測得的實驗數(shù)據(jù)拿到多媒體展臺上展示分析，說明自己采用的實驗方案及對實驗數(shù)據(jù)處理方法，得出的實驗結(jié)論。[教師]同學(xué)們的實驗做得都很好！下面我們利用計算機來處理同學(xué)們實際測得的實驗數(shù)據(jù)，看看能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律。[教師]找三組學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)輸入excel，利用計算機做出圖象，再次引導(dǎo)學(xué)生進行數(shù)據(jù)分析。[教師]由實驗數(shù)據(jù)來看，同學(xué)們的實驗數(shù)據(jù)與猜想相符合嗎？如果不相符合，原因是什么？[學(xué)生]實驗數(shù)據(jù)與我們的猜想不完全一致，原因是我們采用的實驗裝置不夠精密，實驗數(shù)據(jù)不夠準確。5、實驗結(jié)論及課堂小結(jié)[教師]從剛才的實驗數(shù)據(jù)來看，同學(xué)們能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？[學(xué)生]在物體受力一定時，物體的質(zhì)量越大，物體的加速度越小；在物體的質(zhì)量一定時，物體受到的力越大，加速度越大。[教師]那么同學(xué)們回想一下我們是怎樣探討加速度與力和質(zhì)量關(guān)系的？[學(xué)生]先提出猜想，然后進行實驗，再對數(shù)據(jù)進行分析，然后得出結(jié)論。[教師]對！這也是科學(xué)家得出物理規(guī)律的過程。科學(xué)家在探討物理規(guī)律的過程中，正是按照以下思路進行的：得出結(jié)論直覺猜想進行實驗數(shù)據(jù)分析修正猜想反復(fù)驗證得出結(jié)論直覺猜想進行實驗數(shù)據(jù)分析修正猜想反復(fù)驗證（三）本課小結(jié)教師總結(jié)出本節(jié)課的內(nèi)容、方法。師：今天，我們研究了加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系。其中，加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系是本節(jié)課的重點。通過實驗得出加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系是本節(jié)課的難點。本節(jié)課更重要的是通過知識的學(xué)習與探索使我們獲得了一些研究、思考問題的方法。首先，是貫穿在本節(jié)課整個探索過程中的思維程序：即“提出問題猜想實驗驗證得出結(jié)論”。對待任何問題，我們在不清楚其原因之前均可大膽猜想它的各種可能性，然后運用物理學(xué)的實驗方法去檢驗、驗證猜想是否正確，這是一種科學(xué)探索的方法。另外，本節(jié)課在具體實驗過程中還運用了控制變量法和近似處理的方法。即在研究加速度與力和質(zhì)量關(guān)系時，運用了控制變量法；在研究小車受到拉力與鉤碼重力的關(guān)系時，采用近似處理的辦法。即只有鉤碼的質(zhì)量遠小于小車的質(zhì)量時，才能認為鉤碼對小車的拉力大小就鉤碼的重力。思維程序：提出問題猜想實驗驗證得出初步結(jié)論反復(fù)驗證得出結(jié)論板書設(shè)計加速度與力的關(guān)系探究思路：令質(zhì)量不變，研究加速度與力的關(guān)系。數(shù)據(jù)處理：以加速度為縱坐標，力為橫坐標。結(jié)論：質(zhì)量不變時，加速度與力成正比。加速度與質(zhì)量的關(guān)系探究思路：令力不變，研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系。數(shù)據(jù)處理：以加速度為縱坐標，質(zhì)量倒數(shù)為橫坐標。結(jié)論：力不變時，加速度與質(zhì)量成反比。教學(xué)設(shè)計說明“牛頓第二定律”是高中物理力學(xué)部分的重要內(nèi)容，探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系的規(guī)律是本節(jié)課的重點和難點。本節(jié)是一節(jié)集猜想、實驗、物理規(guī)律于一身的課，其中探究加速度和力、質(zhì)量的關(guān)系是本節(jié)的核心，也是實施新的教學(xué)理念的主陣地。在授課中，教師通過教給學(xué)生一些有效的科學(xué)研究方法和實驗方法來發(fā)展學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。教學(xué)設(shè)計：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系江蘇省如皋中學(xué)【設(shè)計思想】本節(jié)課是高中物理必修1第四章“牛頓運動定律”第二節(jié)的第一課時，第二課時將在第一課時的基礎(chǔ)上安排學(xué)生實驗。牛頓第二定律是動力學(xué)的核心規(guī)律，是本章重點和中心內(nèi)容，本節(jié)課則從實驗角度為后面研究牛頓第二定律做知識鋪墊。教學(xué)設(shè)計采用了“基于問題解決的物理課堂教學(xué)模式”。筆者考慮高中階段教學(xué)的實際要求，認為教學(xué)設(shè)計主要圍繞教學(xué)的知識、能力目標展開，在參考了有影響的問題解決教學(xué)模式后，構(gòu)建了適合高中物理課堂教學(xué)的模式，如圖1所示。圖1基于問題解決的課堂教學(xué)的模式筆者提出該模式的思想：教師要更新教育觀念，實現(xiàn)教師角色和行為的轉(zhuǎn)變，以問題為主線，堅持學(xué)生的主體地位,充分發(fā)揮教師的主導(dǎo)作用，使學(xué)生在創(chuàng)設(shè)的問題情境中，產(chǎn)生學(xué)習的需要，主動探究、親身體驗，并通過合作與交流，完成對知識的意義建構(gòu)，培養(yǎng)思維能力，提升探究能力。【教學(xué)重點】1．如何提供并測量研究對象所受的力。2．如何測量研究對象的加速度。【教學(xué)難點】指導(dǎo)學(xué)生通過自主學(xué)習和小組合作學(xué)習，設(shè)計實驗方案，并討論可行性。【三維目標】知識與技能1．理解物體的加速度大小與力和質(zhì)量有關(guān)。2．設(shè)計實驗探究加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系。3．讓學(xué)生了解DISLab的構(gòu)成及實驗的過程。過程與方法1．讓學(xué)生猜想并會用控制變量法研究加速度與力和質(zhì)量的定量關(guān)系。2．指導(dǎo)學(xué)生通過自主學(xué)習和小組合作學(xué)習，設(shè)計實驗方案。3．通過演示實驗驗證學(xué)生的猜想，激發(fā)學(xué)生學(xué)習的興趣。4．讓學(xué)生初步體驗科學(xué)探究的方法。情感態(tài)度與價值觀1．通過問題解決教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和問題能力。2．通過合作學(xué)習培養(yǎng)學(xué)生的合作與交流能力。【實驗器材】DISLab（數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室）力學(xué)軌道及附件（其中擋光片寬度0.020m，載重片（45g/片）4片、小車和擋光片（總質(zhì)量125g）等）、計算機及軟件、光電門傳感器2個、鉤碼（10g/個）5個【教學(xué)過程】流程內(nèi)容說明選擇問題活動一：回顧知識，提出問題問題1：關(guān)于力和運動的關(guān)系，下列幾種說法中正確的是（C）A．必須有力作用在物體上，物體才運動B．沒有力的作用，物體就要逐漸停下來C．必須有力的作用，物體的速度才能改變D．要保持速度不變，必須有力的作用問題2：關(guān)于物體的慣性，下述說法中正確的是（C）A．運動速度大的物體不能很快地停下來，是因為物體速度越大，慣性也越大B．靜止的火車起動時，速度變化慢，是因為靜止的物體慣性大的緣故C．乒乓球可以快速抽殺，是因為乒乓球慣性小D．在宇宙飛船中的物體不存在慣性問題3：物體運動狀態(tài)改變的快慢用什么物理量來描述？學(xué)生：加速度問題4：物體運動狀態(tài)改變快慢與物體的哪些因素有關(guān)？學(xué)生：物體的加速度大小與物體的受力和物體的質(zhì)量有關(guān)。問題5：物體質(zhì)量一定，作用力越大加速度越大嗎？舉日常生活中的例子說明你的觀點。問題6：物體受力一定，質(zhì)量大的物體加速度小嗎？舉日常生活中的例子說明你的觀點。學(xué)生：當物體的質(zhì)量一定時，作用力大，物體的加速度大。當物體的受力一定時，質(zhì)量大的物體加速度小。通過問題1、2鞏固上節(jié)課內(nèi)容的同時，讓學(xué)生感受到物體運動的改變與力和質(zhì)量有關(guān)，然后讓學(xué)生根據(jù)日常生活的例子，得到加速度與力和質(zhì)量的定性關(guān)系。表征問題活動二：大膽猜想，設(shè)計實驗猜想：加速度的大小與合外力、物體的質(zhì)量應(yīng)該有怎樣的定性關(guān)系？學(xué)生：（1）加速度隨合外力的增大而增大，即加速度可能與合外力成正比；（2）加速度隨物體質(zhì)量的增大而減小，即加速度可能與合外力成反比。問題7：用什么方法研究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系？學(xué)生：控制變量法。m一定，a、F的關(guān)系；F一定，a、m或a、1/m的關(guān)系。問題8：有什么方法可以直觀地驗證你的猜想？學(xué)生：圖象法。學(xué)生表征問題后首先猜想的應(yīng)該是最簡單的關(guān)系——正比關(guān)系。解決問題（提出假設(shè)）設(shè)計實驗：實驗?zāi)康模禾骄考铀俣扰c力、質(zhì)量的關(guān)系實驗的大體思路：1．實驗準備：（1）研究對象是什么？如何測量研究對象的質(zhì)量？對應(yīng)的實驗器材？（2）如何提供并測量研究對象所受的力？對應(yīng)的實驗器材？（3）如何測量研究對象的加速度？對應(yīng)的實驗器材？2.實驗步驟：（1）m一定，探究a、F的關(guān)系。（2）F一定，探究a、m或a、1/m的關(guān)系。3.實驗的注意事項：4.實驗數(shù)據(jù)的記錄與處理：活動三：小組交流，邏輯論證類別其他小組的實驗設(shè)計思路可行性分析m的測量天平測量√F的測量1.重物的重力（小車和砝碼的質(zhì)量＜＜重物的質(zhì)量）√2.平衡摩擦力√3.用氣墊導(dǎo)軌√4.改變導(dǎo)軌的傾角從而改變F×a的測量1.打點計時器（逐差法）√2.光電門傳感器（可以測時間，從而得到擋光板通過光電門的瞬時速度）√3.比較法（初速度為零的勻加速直線運動，加速度比等于位移比，再用控制變量法探究規(guī)律。）√4.頻閃照相√教學(xué)時采取學(xué)生先獨立探究，然后小組討論。學(xué)生小組內(nèi)合作學(xué)習與小組間實驗設(shè)計思路的交流時間約25分鐘。有些小組提出的實驗思路有一定的創(chuàng)新性，培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維也正是基于問題解決的課堂教學(xué)的功能之一。表格中的思路是部分小