主題一運動和力

第五節牛頓運動定律及其應用教學設計案例

課程內容第五節牛頓運動定律及其應用

課程類型啟發講授課課時2學時

本節主要讓學生通過實驗，加深對牛頓第一定律的理解，知道質量是

物體慣性大小的量度，能解釋生活中有關的慣性現象。通過實驗，了解加

教材內容速度與物體所受合外力、物體質量的關系，理解牛頓第二定律；能運用牛

分析頓第二定律進行簡單計算，能用其解釋生產、生活中的有關現象。通過實

驗，理解牛頓第三定律；能區別相互作用力與平衡力，能用其分析生產、

生活中的有關問題。了解國際單位制中力學的基本物理量和基本單位。

學生在初中就學習過牛頓第一定律和牛頓第三定律，沒有學習過牛

頓第二定律，因此牛頓第二定律是本節的重點內容。教師在進行教學時，

學情分析應注意對理想實驗、控制變量法、轉換法等科學方法的介紹，通過演示實

驗與合作學習等方式，讓學生深刻理解牛頓第二定律，并能應用其解決實

際問題。

1.理解牛頓運動定律，進一步形成力可使物體的形狀和運動狀態發

生改變等物理觀念，并能用其解釋生產、生活中的相關運動現象，能運用

牛頓第二定律進行簡單計算，能解決簡單的實際問題。了解國際單位制中

力學的基本量和基本單位。

2.了解伽利略研究物體慣性時使用的理想實驗方法，增強假設推理

教學目標和質疑創新能力。了解總結牛頓第二定律時使用的轉換法和控制變量法，

增強科學論證素養。

3.通過對有關牛頓運動定律實驗的觀察，增強實驗觀察能力。通過

課后實踐活動，增強操作技能、技術運用、探究設計等核心素養。

4.了解我國在航空航天等領域的偉大成就，增強民族自豪感和家國

情懷。通過對物體慣性的了解，增加安全意識，提高社會責任感。

讓學生了解理想實驗方法、控制變量法，理解牛頓第二定律，了解作

教學重點

用力與反作用力的特點。

教學難點牛頓第二定律的應用方法、作用力與反作用力的特點。

讓學生通過自主學習與合作學習了解新知識，形成新觀念，提高實驗

教學策略

觀察能力，受到科學方法熏陶。

主要教法啟發式講授、演示實驗、組織合作學習

主要學法觀察演示實驗、小組合作學習

多媒體課件展示系統、導軌、氣泵、光電門2個、數字計時器、擋光

片一、滑塊、一端帶定滑輪的滑道2個、質量相同的小車2個、小鉤碼（質

教學資源

量遠小于小車的質量）3個、細繩、大夾子、刻度尺、與小車質量相等的

祛碼、力傳感器2個、數據采集器、計算機等。

課堂實施

教學

教學內容教師活動學生活動設計意圖

環節

1.伽利略是根據什么事實對亞里1.安排學生對教材和教讓學生通

士多德有關力與運動關系的論斷提進行預習（閱學視頻進行過課前自

出質疑的？讀教材、觀看學習和思主學習，

2.伽利略的對接斜面理想實驗的老師提供的考，并與同發現自己

內容是什么？微課視頻）。學討論其中不理解的

3.什么是理想實驗方法？2.就學生提發現的問問題，準

課前

4.通過“觀察滑塊在水平氣墊導軌出的問題進題，將疑問備到課堂

準備

上的運動”演示實驗能歸納出什么行有針對性反饋給老上與同學

結論？地備課，準備師。討論，與

5.牛頓第一定律的內容是什么？在課堂上學老師交

6.通過“研究加速度與外力的關生討論時給流，解決

系”演示實驗能歸納出什么結論？予指導。疑問。

什么是轉換法？

7.通過“研究加速度與質量的關

系”演示實驗能歸納出什么結論？

什么是控制變量法？

8.牛頓第二定律的內容是什么？

如何用數學公式表達？

9.通過“用力傳感器研究作用力與

反作用力”演示實驗能歸納出什么

結論？作用力與反作用力有什么特

點？

10.在國際單位制中，力學的基本

單位有哪幾個？

新創設情境：“嫦娥四號”探測器展示圖片、提思考激發學生

課于2018年12月8日在西昌衛問：學習動

引星發射中心由“長征三號乙”“嫦娥四號”力，明確

入運載火箭送入太空。2019年1是如何實現學習目標

月3日10時26分，成功軟著從地面飛向

陸于月球背面預定地點。月球的？至IJ

達月球附近

后，又是如何

課堂實現繞著月

實施球旋轉，并最

終落到月球

背面的？

新公元前4世紀，古希臘的哲學講述傾聽通過歷史

課家亞里士多德在觀察和直覺的回顧，讓

教基礎上得出結論：必須有力作學生了解

學用在物體上，物體才能運動：應有依據

沒有力的作用，物體就保持靜地提出質

止。由于與人們在生產實踐中疑。

觀察到的情景基本相符，因此

這個觀念一直流傳了近兩千

年，沒有被人質疑過。

16世紀末，意大利物理學家伽

利略對亞里士多德的論斷表示

了懷疑。他注意到，當一個球

沿斜面向下滾動時，它的速度

增大，而向上滾動時，它的速

度減小。他由此猜想：當球沿

水平面滾動時，它的速度應該

不增不減。

伽利略在實驗時發現，當球在講述、展示圖傾聽、理解、讓學生了

水平面上滾動時，球的速度越片記憶解伽利略

來越慢，最后停下來。伽利略的對接斜

認為，這是由于阻力的緣故，面理想實

因為他還觀察到，水平表面越驗。

光滑，球便會滾得越遠。于是，

他推斷：若沒有阻力，球將沿

水平面永遠滾下去。

伽利略為了說明他的思想，設

計了一個對接斜面的理想實

驗：讓小球沿一個光滑斜面從

靜止狀態開始滾下，小球將滾

上另一個斜面，由于沒有摩擦，

小球將上升到初始高度。減小

第二個斜面的傾角，小球在這

個斜面上滾動仍會達到初始高

度，因此它要滾得遠些。繼續

減小第二個斜面的傾角，小球

仍會為達到同一高度而滾得更

遠。如果第二個斜面改成水平

面，小球將沿著水平面以恒定

的速度持續運動下去。

理想實驗也叫假想實驗或者思講述傾聽讓學生了

想實驗，它以真實的科學實驗解理想實

為基礎，以邏輯法則為依據，驗方法

用思維來展開實驗過程。它具

有實際物理實驗的一些特點，

又不同于實際實驗。它也是科

學研究中常用的一種邏輯思維

方法。

演示實驗：“觀察滑塊在水平氣進行演示實觀察實驗、讓學生增

墊導軌上的運動”驗、組織合作小組合作、加對慣性

調節氣墊導軌一側的底腳螺學習、提問：思考、討論、的感性認

絲，使導軌水平。給導軌送氣，在水平氣墊回答：識，引導

將滑塊放在導軌中間，可觀察導軌上靜止滑塊所受的學生分析

到滑塊靜止在導軌上，如圖1-的滑塊和運外力都只有物體運動

5-3所示。再打開數字計數器的動的滑塊所重力和支持狀態不變

開關，選擇“計時1”功能。用受的外力各力，合外力的原因。

手輕推滑塊，使其以一定的速有哪些？滑為零。

度從導軌的一端向另一端運塊所受的合

動，依次經過兩個光電門。觀外力為多

察數字計時器上顯示的滑塊經少？

過兩個光電門的擋光時間。

英國的物理學家牛頓在伽利略講述傾聽、記憶讓學生鞏

等人研究的基礎上，根據自己固牛頓第

的研究，系統地總結了力學規一定律。

律，提出了三條運動定律。

一切物體總保持靜止或勻速直

線運動狀態，直到有外力迫使

它改變這種狀態為止。這就是

牛頓第一定律。由于物體總保

持原來運動狀態的性質稱為慣

性，因此，牛頓第一定律又稱

為慣性定律。

一些剛學打籃球的同學在做展示圖片、講傾聽、思考讓學生了

“三步上籃”的動作時，通常述運用牛頓解牛頓第

會因用力過大而不能將球投進第一定律解一定律的

籃筐。籃球在被拋出以前，已釋“三步上應用。

經具有跟人相同的速度了，因籃”現象。

此人只需將球向上拋出，球就

會由于慣性，向前上方運動并

落入籃筐了。

與本學習小組的同學討論，在組織學生合小組討論、引導學生

水平地面上玩滑板的人為什么作學習交流運用牛頓

能帶著滑板騰空而起？與其他第一定律

小組的同學交流。解釋生活

中的現

象。

讓學生自主學習“安全帶與安展不圖片，、巡閱讀、討論讓學生進

全氣囊”等內容。視、答疑一步了解

牛頓第一

定律的應

用。

牛頓第一定律告訴我們，物體講述物體運傾聽、理解、引導學生

如果不受外力，它將保持原來動狀態改變記憶發現問

的運動狀態。由此可知，如果過程中，加速題，準備

物體受到外力作用，物體的運度與外力、質繼續探

動狀態必將改變。量的關系。索。

物體運動狀態發生改變時，會

產生加速度，因此也可以說，

力是使物體產生加速度的原

因。

人們在實踐中發現，物體的加

速度不僅與其所受外力有關，

還與其質量有關。質量越大的

物體，運動狀態似乎越難以改

變。那么，物體的加速度與外

力、質量到底有什么定量關

系？

演示實驗:“研究加速度與外力進行演示實觀察實驗、讓學生增

的關系”驗，測量兩輛思考其中的加對加速

將兩個一端帶定滑輪的滑道并小車的位移，規律，回答：度與外力

排放在水平桌面上，讓帶定滑提問：兩輛小車的關系的感

輪的一端伸出桌外。取兩輛質兩輛小車的位移與其所性認識，

量相同的小車，對齊擺放在水位移與其所受拉力成正并歸納出

平滑道上，小車的前端各系上受拉力的關比。其中的規

一根細繩，繩的另一端跨過定系是什么？律。

滑輪用來掛鉤碼（鉤碼的質量

遠小于小車的質量）。小車的后

端也分別系上細繩，用一只固

定的夾子夾住小車后面的兩根

細繩，以便同時控制兩輛小車

的運動。

在第一輛小車的繩端掛1個鉤

碼，在第二輛小車的繩端掛2

個鉤碼。兩輛小車在拉力作用

下都將做勻加速直線運動，小

車所受的水平拉力F的大小可

以近似認為等于鉤碼所受的重

力。

先標記出小車的初始位置，再

打開夾子，讓兩輛小車同時從

靜止開始運動。經過一小段時

間后，合上夾子，讓它們同時

停下。測量兩輛小車的位移大

小。

通過合作學習，探索位移與加提問：回答：引導學生

速度的關系，進而理解加速度在勻變速直位移與加速推導小車

與拉力的關系。線運動中，若度成正比。的加速度

初速度為零，加速度與拉與拉力的

時間相同，則力也成正關系。

位移與加速比。

度有什么關

系？加速度

與拉力有什

么關系？

對不易直接觀察和測量的微觀講述傾聽讓學生了

物理量，人們常常采用轉換觀解轉換

測對象的方法。通過轉換，用法。

某些容易觀察和測量的量，代

替不易觀察和測量的量，這就

是轉換法。

演示實驗:“研究加速度與質量進行演示實觀察實驗、讓學生增

的關系”驗，測量兩輛思考其中的加對加速

利用前面的實驗裝置繼續實小車的位移，規律，回答：度與質量

驗。在兩輛小車的繩端各掛一提問：兩輛小車的關系的感

個鉤碼，使兩輛小車所受的拉兩輛小車的位移與其質性認識，

力相同。在第一輛小車上加放位移與小車量成反比。并歸納出

祛碼，使其質量增大為原來的質量的關系由于位移與其中的規

-倍。是什么？由加速度成正律。

先標記出小車的初始位置，再于位移與加比，因此可

打開夾子，讓兩輛小車同時從速度成正比，以得出小車

靜止開始運動。經過一小段時因此可以得的加速度與

間后，合上夾子，讓它們同時出小車的加質量成反

停下。測量兩輛小車的位移大速度與質量比。

小。的關系是什

么？

實驗表明，質量大的物體運動講述傾聽、記憶讓學生鞏

狀態難以改變，即物體的慣性固對慣性

大；質量小的物體運動狀態容的認識，

易改變，即物體的慣性小。因了解質量

此，質量是物體慣性大小的量是物體慣

度。性大小的

量度

【行為與責任】訓:述理解、記憶讓學生增

列車的質量一般都非常大，即加遵守交

慣性非常大，要使高速行駛的通法規的

列車停下來是很困難的，往往自覺性。

需要很長的路程來減速。如果

在列車快到達時，有人搶行且

發生了意外，停在了軌道上，

則傷害就是不可避免的了。因

此，為了避免傷害，在通過列

車道口時，一定要遵守交通法

規，聽從交警的指揮。

【思維與方法】控制變量法講述傾聽、記憶讓學生了

控制變量法就是在有多個因素解控制變

（變量）同時對結果起作用的量這一重

過程中，通過控制實驗條件（控要的實驗

制其他因素不變），逐個研究某方法。

一因素對結果的影響，然后加

以綜合的研究方法。

物體的加速度跟所受的綜合歸納、講傾聽、記憶讓學生了

合外力成正比，跟物體的質量述。解牛頓第

成反比，加速度的方向跟合外二定律及

力的方向相同。這就是牛頓第其數學形

二定律。通過選擇合適的單位，式。

牛頓第二定律可用數學公式表

示為

/優=ma

【應用與拓展】汽車ABS組織學生自閱讀、理解、讓學生了

以前的普通汽車，如果在高速主學習、巡討論解牛頓第

運動時進行緊急制動，車輪會視、答疑二定律在

突然被制動器抱死，使前輪失生活中的

去轉向功能，而汽車由于慣性應用。

仍繼續向前運動，則可能會發

生側滑，甚至側翻。為防止這

種情況的發生，人們發明了防

抱死制動系統。汽車ABS可以

自動地檢測車輪是否在正常滾

動，并在車輪滑動的時候釋放

制動器，即制動器對汽車進行

斷續制動，每分鐘制動次數可

達數千次，使汽車輪子處于滾

動和滑動的交替狀態。這樣就

可以幫助司機在緊急制動時更

好地掌控汽車的運動狀態，防

止出現側滑等失控情況。

示例吊車要在10s內將地面講述、分析、觀看、傾聽、讓學生了

上的貨物吊到10m高的樓頂，解題全過程理解、記憶解應用牛

貨物的質量是2.0X103kg,假頓第二定

設貨物被勻加速吊起，問吊車律解決實

纜繩對貨物的拉力是多少？際問題的

形式和方

法。

在吊車向上加速吊起貨物時，講述傾聽、理解讓學生了

纜繩對貨物的拉力超過貨物的解用牛頓

重力，這種現象稱為超重。與第二定律

此相反，當吊車向下加速放下解釋超重

貨物時，纜繩對貨物的拉力將和失重現

小于貨物的重力，這種現象稱象。

為失重。

【行為與責任】講述傾聽提高學生

人們乘坐升降電梯或在游樂園的社會責

中蕩秋千、跳蹦床、玩滑梯、坐任感。

過山車時，都可體驗到超重和

失重的感覺。但有些活動產生

的強烈超重和失重，對體弱或

有心臟病的人來說是有危險

的，因此要記得提醒他們不要

參加那些活動。

【觀察與體驗】用力傳感器進行演示實觀察、思考、增加學生

研究作用力與反作用力驗、提問：討論、回答：對作用力

將數字信息處理系統的兩個力由屏幕上顯任何時刻兩與反作用

傳感器、數據采集器和計算機示的兩個力個相互作用力的感性

連接好，打開力的相互作用數傳感器的受力都是大小認識。

據采集軟件。先用手逐一推、力圖線可以相等、方向

拉每個力傳感器的測量端，檢得出，在任何相反的。

查并調節兩個力傳感器，使其時刻兩個相

測量端受力時，力隨時間變化互作用力是

的圖線都能實時、準確地顯示怎樣的？

在計算機屏幕上。

實驗時，用兩只手分別握住兩

個力傳感器，將它們的測量端

連接在一起。當兩只手同時用

力互拉時，兩測量端各自受力

的情況都實時地顯示在屏幕

上。

大量實驗表明：兩個物體歸納、講述傾聽、記憶讓學生了

之間的作用力和反作用力總是解牛頓第

大小相等，方向相反，作用在三定律。

同一條直線上。這就是牛頓第

三定律。用公式可表示為

尸=—F'

式中，F、分別表示作用力

和反作用力，負號表示它們的

方向相反。

作用力和反作用力總是成對出講述傾聽、記憶讓學生了

現，同時產生，同時消失。解作用力

作用力與反作用力總是屬于同與反作用

種性質的力。如：作用力是萬力的特

有引力，反作用力也一定是萬點。

有引力；作用力是彈力，反作

用力也是彈力；作用力是摩擦

力，反作用力也是摩擦力。

作用力和反作用力總是分別作

用在兩個物體上，各自產生各

自的作用效果，不能平衡，不

能抵消。

人走路時，腳總是不斷地向后講述傾聽讓學生了

蹬地，地面受到了向后的摩擦解牛頓第

力，同時，腳也受到了向前的三定律的

摩擦力，從而使人向前運動；應用。

騎自行車時，人用力地蹬踏板，

使后輪轉動，后輪對地面產生

向后的摩擦力，地面對后輪產

生向前的摩擦力，推動自行車

前進；人在游泳時.，主要是利

用四肢向后推水，來獲得水對

人向前的推力。

當搭載著“嫦娥四號”探測器回應本節開傾聽、理解讓學生進

的火箭發射升空時，通過向后始“情境與問一步了解

高速噴射燃料r獲得了向前的題”中的問牛頓運動

推進力。探測器與火箭分離后，題。定律的應

主要依靠慣性前進，但可利用用。

攜帶的7500N變推力發動機，

進行修正，校準航向。接近月

球后，探測器使用變推力發動

機進行近月制動，使其被月球

的引力場捕獲，成為一顆繞月

衛星。之后通過變軌控制，使

速度逐漸下降，最后在反推發

動機和著陸緩沖機構的保護

下，實現軟著陸。

國際單位制，規定了7個基本講述傾聽、記憶讓學生了

單位，分別是長度單位米（m）、解國際單

時間單位秒（s）、質量單位千克