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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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，
6、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
7、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
8、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115220325430535表三（两车绳上挂的钩码均为40g）参照车实验车组
9、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/cm13002002300400330050043006005300700表四（两车绳上挂的钩码均为40g）组别12/3=06724/3=13335/3=16746/3=20057/3=233（以上实验过程36 min）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。【
10、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
11、）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
12、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
13、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
14、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
15、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/cm1203530502202340433202050464201960505201757059表二（两车质量均为200g+100g）组别11514322018732523430263535337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
16、x1/cm车和车上砝码总质量/g（代表质量m2）位移x2/cm130033520051523004340035330058500434300566003153004070021表四（两车绳上挂的钩码均为40g）组别12/3=06715424/3=13308135/3=16707446/3=20005557/3=2330525（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
17、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的方法，反映出学生潜在的创造能力是非常巨大的。另外，有同学提出造成实验误差的主要原因还有一个是两车摩擦力情况不一样，即在两车质量与受力情况一样时，两车加速的步调并不相同，但学生提不出改进措施，我认为除了更换小车直到两车同步调的方法外也没有其他办法。在回答思考题2时，在老师引导下，学生顺利地提出倾斜导轨获得重力的分力充当动力的方法，改变
18、导轨倾角，让导轨上端点的高度加倍，则倾角的正弦加倍，则动力加倍，再看加速度变化的情况，则可研究出a与F的关系；但在如何探究a与m的关系时遇到了困难，不好保持力不变，因为保持导轨倾角不变，在滑块上添加砝码，改变了滑块的质量也改变了重力分力的大小，讨论的结果只能是滑块质量加倍后，让导轨上端点的高度减半，则倾角的正弦减半，则动力可以保持不变。教学反思：1关于时间分配问题首先实验设计环节最能体现学生的创造能力，应该多花一些时间，学生在课堂上能提出切实可行的实验方案，而且思维相当活跃，在思维高潮时刻嘎然而止，学生有点意犹未尽的感觉。其次实验设计也不应该仅仅是设计出方案，还应该设计出操作步骤，如总共做几次实验，每一次的车质量与力分别多大，采集数据的表格如何设计，应该怎样处理数据等。2关于实验设计环节（1）限制了实验的理论依据和提醒更换铁夹子克服夹不住的毛病应该对学生能成功设计出实验方案起到了关键作用，这就说明科学探究中教师的引导是必不可少的。（2）在上课之前，我内心认为学生不能设计出实验方案，即使老师作了引导，因此学生的表现令我吃惊，所以说学生的创造能力是潜在存在的，老师一定要给学生机会，一定要引导他们表现出这种能力，久而久之学生的素质才会真正提高。
