資源簡介

4.2《實驗：探究加速度與力、質量的關系》課時教案
學科 物理 年級冊別 高一上冊 共1課時
教材 人教版高中物理必修第一冊 授課類型 實驗探究課 第1課時
教材分析
教材分析
本節內容位于人教版高中物理必修第一冊第四章第二節，是牛頓第二定律學習前的關鍵實驗基礎。教材通過設計控制變量法的實驗，引導學生探究加速度與合外力、質量之間的定量關系，為后續建立牛頓第二定律的數學表達式提供實驗依據。本實驗不僅是力學核心知識的支撐點，更是高中物理中首次系統開展定量實驗探究的重要載體，具有承上啟下的作用。
學情分析
高一學生已掌握位移、速度、加速度等基本概念，具備初步的受力分析能力，但對“加速度由什么決定”仍停留在定性認知層面。學生剛接觸打點計時器，實驗操作技能尚不熟練，數據處理能力較弱。其身心特點表現為好奇心強但注意力易分散，合作意識初步形成但分工協作有待引導。主要學習障礙在于如何設計控制變量的實驗方案、理解“小車所受拉力近似等于砂桶重力”的條件。突破措施是通過情境驅動、分步引導與小組協作，降低認知梯度，強化實驗思維訓練。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解加速度是描述速度變化快慢的物理量，明確其矢量性；掌握加速度與合外力成正比、與質量成反比的定性規律，并能用公式 a = F/m 初步解釋生活中的加速現象。
2. 建立“控制變量法”在物理實驗中的基本模型，理解實驗中如何通過控制一個變量不變來研究另外兩個變量之間的關系。
科學思維
1. 能夠基于實驗目的設計合理的實驗方案，分析實驗裝置的改進思路（如平衡摩擦力），提升模型建構與科學推理能力。
2. 學會利用圖像法處理實驗數據，從 a-F 圖像和 a-1/m 圖像中歸納物理規律，發展數據處理與規律提煉的科學思維方法。
科學探究
1. 能正確安裝實驗裝置，熟練操作打點計時器，采集紙帶上的點跡信息，計算不同條件下的加速度值。
2. 在小組合作中完成實驗操作、數據記錄與初步分析，體驗完整的科學探究過程，提升實驗設計與動手實踐能力。
科學態度與責任
1. 在實驗過程中養成實事求是的科學態度，尊重實驗數據，勇于修正錯誤假設，培養嚴謹求實的科學精神。
2. 認識到物理規律來源于實驗探究，體會科學家探索自然規律的艱辛與智慧，增強對物理學的興趣與責任感。
教學重點、難點
重點
1. 掌握控制變量法的基本思想及其在本實驗中的具體應用。
2. 通過實驗數據分析，得出加速度與合外力成正比、與質量成反比的定量關系。
難點
1. 理解實驗中“砂和砂桶的總重力近似等于小車所受合外力”的前提條件，掌握平衡摩擦力的操作方法。
2. 準確測量加速度并繪制 a-F 和 a-1/m 圖像，從圖像中科學地得出實驗結論。
教學方法與準備
教學方法
情境探究法、合作探究法、講授法、實驗法
教具準備
軌道、小車、打點計時器、紙帶、復寫紙、細線、砝碼、砂桶、天平、刻度尺、多媒體課件
教學環節 教師活動 學生活動
情境導入
【5分鐘】 一、創設生活情境，激發探究欲望 （一）、播放視頻引入課題
教師播放一段視頻：同一輛小車在光滑水平面上，分別掛一個砂桶和掛三個砂桶時的啟動過程。引導學生觀察并提問：“為什么掛三個砂桶的小車啟動得更快？這說明了什么？”學生回答后，教師繼續追問：“如果換一輛更重的小車，同樣的拉力下，它的加速度會怎樣？”通過這兩個問題，引導學生初步感知加速度可能與拉力大小和小車質量有關。
（二）、提出核心問題，明確探究方向
教師總結學生的回答，指出：“加速度究竟如何隨外力和質量變化？是簡單的正比還是反比？我們需要通過實驗來尋找答案?！苯又故颈竟澱n的標題《實驗：探究加速度與力、質量的關系》，并強調：“今天我們將化身小小物理學家，親手設計并完成這個經典實驗，揭開加速度背后的秘密?！?br/>（三）、回顧已有知識，搭建思維橋梁
教師引導學生回憶：“我們已經知道加速度的定義式是什么？”學生回答 a = Δv/Δt 后，教師補充：“但這個公式只能計算加速度，不能告訴我們加速度是由什么決定的。就像蘋果為什么會落地？光速為什么不變？這些都需要通過實驗去發現背后的規律?！币觅だ缘脑挘骸白匀恢畷怯脭祵W語言寫成的?！奔顚W生用實驗和數據去讀懂這本自然之書。 1. 觀看視頻，思考并回答問題。
2. 回憶加速度的定義式。
3. 明確實驗探究的目標。
4. 激發參與實驗的興趣。
評價任務 觀察能力：☆☆☆
問題意識：☆☆☆
知識遷移：☆☆☆
設計意圖 通過貼近生活的視頻情境引發認知沖突，激發學生探究動機；以問題鏈引導學生從定性感知走向定量探究；回顧舊知建立新舊知識聯系，為實驗設計奠定基礎；引用科學名言提升課堂文化品位，營造科學探究氛圍。
方案設計
【8分鐘】 一、引導學生設計實驗方案 （一）、提出驅動性問題，引導模型構建
教師提問：“我們要研究三個物理量之間的關系——加速度 a、合外力 F、質量 m，直接同時研究三者太復雜，該怎么辦？”引導學生回憶初中化學中研究反應速率與濃度、溫度關系的方法，啟發學生說出“控制變量法”。教師肯定并板書“控制變量法”，然后進一步提問：“具體怎么控制？先研究哪兩個量的關系？”
學生討論后得出兩種方案：① 控制小車質量 m 不變，改變拉力 F，測量對應的加速度 a；② 控制拉力 F 不變，改變小車質量 m，測量對應的加速度 a。教師對此表示贊許，并說明本節課將分兩步完成這兩個探究。
（二）、分析實驗裝置，突破難點前置
教師展示實驗裝置圖（含軌道、小車、打點計時器、細線、砂桶），提問：“小車受到的合外力就是砂桶的重力嗎？”引發學生思考。有學生可能回答“是”，也有學生意識到還有摩擦力。教師順勢引導：“如果軌道水平，小車運動時會受到滑動摩擦力，那么合外力就不是砂桶重力了。”接著提出解決方案：“我們能不能想辦法讓摩擦力‘消失’？”引導學生想到“傾斜軌道，讓重力沿斜面的分力平衡摩擦力”。教師演示調節軌道傾角，輕推小車使其勻速下滑，說明此時摩擦力已被平衡，小車所受合外力即為細線拉力。
（三）、明確拉力近似條件，建立理想模型
教師繼續提問：“細線拉力等于砂桶重力嗎？”引導學生進行受力分析：當小車加速時，砂桶也在向下加速，因此細線拉力 T < m_桶g。只有當砂桶質量遠小于小車質量時，T ≈ m_桶g 才成立。教師強調：“實驗中我們必須滿足 m_砂桶 << m_小車，這樣才能用砂桶重力近似代表小車所受合外力?！?1. 討論并提出控制變量法。
2. 分析實驗裝置的受力情況。
3. 理解平衡摩擦力的必要性。
4. 明確拉力近似的適用條件。
評價任務 方法選擇：☆☆☆
原理理解：☆☆☆
模型建構：☆☆☆
設計意圖 通過層層遞進的問題鏈，引導學生主動建構實驗方案，培養科學思維；提前揭示實驗關鍵難點（平衡摩擦力、拉力近似），避免學生在操作中盲目試錯；通過受力分析深化對“合外力”概念的理解，體現物理學科的嚴謹性。
實驗操作
【15分鐘】 一、分組實驗，動手探究 （一）、布置任務，明確分工
教師將學生分為若干實驗小組（每組4人），發放實驗記錄表。說明實驗分為兩個部分：第一部分保持小車質量不變（如 m = 400g），依次增加砂桶中砂的質量（如 10g、20g、30g、40g、50g），記錄每次對應的紙帶；第二部分保持砂桶總質量不變（如 30g），在小車上添加砝碼改變其總質量（如 400g、500g、600g、700g、800g），記錄紙帶。強調每次更換條件后都要重新平衡摩擦力或確認已平衡。
（二）、指導操作，規范流程
教師巡視各組，重點指導以下操作細節：① 打點計時器使用交流電源，先通電再釋放小車；② 紙帶穿過限位孔，與小車連接牢固；③ 釋放小車前，小車應靠近打點計時器；④ 每次實驗結束后及時關閉電源；⑤ 取下紙帶，標注實驗條件（如 m=400g, F=0.3N）。
（三）、示范數據處理，統一標準
教師選取一條典型紙帶進行投影演示：“如何從紙帶上求加速度？”引導學生回憶“逐差法”：若紙帶上有連續六個點 A、B、C、D、E、F，時間間隔均為 T=0.1s，則 a = (s_DE + s_EF - s_AB - s_BC)/(4T )。教師現場計算示例，并提醒學生注意單位統一（力用N，質量用kg，加速度用m/s ）。
二、動態調控，應對生成 （一）、糾正常見錯誤
發現某組未平衡摩擦力導致紙帶點跡不均勻，教師及時介入：“你們的小車啟動困難嗎？看看點跡間距是不是越來越小？”引導學生發現問題，并協助重新調節軌道傾角。對于拉力計算錯誤的小組，提醒他們檢查砂桶質量是否遠小于小車質量。
（二）、鼓勵創新嘗試
有小組提出“能否用手機慢動作拍攝小車運動來測加速度？”教師給予肯定：“這是數字化實驗的好思路！課后可以嘗試用Tracker軟件分析視頻?！惫膭顚W生拓展實驗手段。 1. 小組分工合作完成實驗。
2. 正確安裝并操作實驗器材。
3. 采集紙帶數據并標注信息。
4. 初步計算加速度值。
評價任務 操作規范：☆☆☆
數據真實：☆☆☆
合作有效：☆☆☆
設計意圖 通過分組實驗落實探究實踐，培養學生動手能力和團隊協作精神；教師巡視指導確保實驗安全與數據有效性；示范數據處理方法統一計算標準，減少誤差；及時糾正錯誤體現教學機智，鼓勵創新激發學生科學熱情。
數據分析
【10分鐘】 一、引導學生處理數據，繪制圖像 （一）、組織數據匯總，構建分析平臺
教師邀請各小組代表將實驗數據填寫到黑板上的匯總表格中。第一部分數據列包括：F(N)、a(m/s )；第二部分數據列包括：m(kg)、a(m/s )、1/m(kg )。確保數據完整后，教師提問：“我們如何直觀地看出 a 與 F 的關系？a 與 m 的關系？”引導學生想到“畫圖像”。
（二）、指導繪圖方法，強調科學規范
教師強調圖像繪制要點：① 用坐標紙或繪圖軟件；② 橫縱軸標明物理量及單位；③ 選擇合適的標度；④ 描點要準確；⑤ 畫出最能反映數據趨勢的直線或曲線。然后指導學生分別繪制 a-F 圖像和 a-1/m 圖像。
（三）、引導圖像分析，歸納實驗規律
當學生完成繪圖后，教師提問：“a-F 圖像是一條過原點的直線嗎？說明什么？”學生回答“說明 a 與 F 成正比?！苯處熥穯枺骸盀槭裁蠢碚撋蠎^原點？如果不過原點可能是什么原因？”引導學生反思摩擦力未完全平衡等問題。
接著分析 a-1/m 圖像：“a 與 1/m 的關系圖像也是過原點的直線，說明 a 與 m 成反比。”教師總結：“綜合兩個實驗，我們得出結論：物體的加速度與所受合外力成正比，與物體的質量成反比。”并板書公式 a ∝ F/m，即 a = kF/m，其中 k 為比例系數。
二、聯系理論，引出牛頓第二定律 （一）、建立單位制聯系
教師說明：“在國際單位制中，當 F 的單位為 N，m 的單位為 kg，a 的單位為 m/s 時，比例系數 k = 1，因此 a = F/m，即 F = ma?！币鱿乱还潓⒁獙W習的牛頓第二定律。
（二）、評價實驗誤差
教師引導學生討論誤差來源：① 摩擦力未完全平衡；② 砂桶質量未遠小于小車質量；③ 打點計時器打點不均勻；④ 測量長度和時間的讀數誤差等。 1. 整理實驗數據。
2. 繪制 a-F 和 a-1/m 圖像。
3. 分析圖像得出結論。
4. 理解誤差來源。
評價任務 圖像準確：☆☆☆
結論正確：☆☆☆
誤差分析：☆☆☆
設計意圖 通過圖像法將抽象數據可視化，培養學生科學的數據處理能力；引導學生從圖像中自主歸納物理規律，提升科學推理素養；聯系單位制自然引出牛頓第二定律，實現知識的無縫銜接；開展誤差分析，培養學生批判性思維和實事求是的科學態度。
總結升華
【7分鐘】 一、結構化總結核心知識 （一）、回顧實驗全過程
教師帶領學生回顧實驗流程：“我們從生活現象出發，提出問題→采用控制變量法設計實驗→搭建裝置并平衡摩擦力→采集紙帶數據→用逐差法計算加速度→繪制 a-F 和 a-1/m 圖像→最終得出加速度與力、質量的關系?！睆娬{這一過程正是科學研究的經典范式。
（二）、提煉物理思想方法
教師指出：“本節課不僅學到了 a ∝ F/m 的規律，更重要的是掌握了‘控制變量法’這一科學方法，以及‘圖像法處理數據’這一重要技能。這些方法不僅適用于物理，也廣泛應用于化學、生物乃至社會科學研究中?！?br/>二、升華情感態度價值觀 （一）、講述科學史話
教師講述：“三百多年前，牛頓正是在大量實驗和前人研究的基礎上，提出了第二定律。他沒有停留在‘蘋果落地’的表面現象，而是深入追問‘為什么’，最終建立了經典力學體系。正如愛因斯坦所說：‘提出一個問題往往比解決一個問題更重要?！?br/>（二）、激勵學生勇于探索
教師深情總結：“今天你們親手重現了這一偉大發現的過程。每一條紙帶上的點跡，都是你們探索自然奧秘的腳步；每一個數據，都是你們向真理靠近的見證。希望你們保持這份好奇心與求真精神，在未來的學習中，敢于質疑，勤于探究，用實驗和思考去揭開更多未知的面紗。記?。耗悴皇窃谧鲱}，你是在讀懂宇宙的語言?！?1. 回顧實驗步驟。
2. 理解科學方法的重要性。
3. 感受科學探索的意義。
4. 樹立科學探究信心。
評價任務 知識掌握：☆☆☆
方法理解：☆☆☆
情感認同：☆☆☆
設計意圖 通過結構化回顧幫助學生構建完整的知識體系；提煉科學方法實現能力遷移；融入科學史教育增強學科人文底蘊；以富有詩意的語言激勵學生，實現情感、態度與價值觀的升華，讓物理課堂不僅有理性之光，更有精神之火。
作業設計
一、實驗報告撰寫
1. 請根據課堂實驗數據，完整填寫實驗報告，包括實驗目的、實驗原理、實驗器材、實驗步驟、數據記錄表、a-F 和 a-1/m 圖像（可手繪或打印）、實驗結論及誤差分析。
2. 思考題：若實驗中未平衡摩擦力，a-F 圖像會是什么形狀？若砂桶質量過大，會對實驗結果造成怎樣的影響？
二、拓展應用練習
1. 質量為 2kg 的物體在水平面上運動，受到 6N 的水平拉力，若地面光滑，求其加速度；若地面動摩擦因數為 0.1，求其加速度。（g取10m/s ）
2. 某汽車質量為 1200kg，啟動時在 3600N 的牽引力作用下獲得加速度，若要使加速度提高到原來的 1.5 倍，牽引力應增加到多少？（假設阻力不變）
3. 查閱資料，了解“氣墊導軌”如何進一步減小摩擦力，提升本實驗的精度，并簡要說明其工作原理。
【答案解析】
一、實驗報告撰寫
1. 實驗報告應包含完整要素，圖像清晰，結論正確表述為：在質量一定時，加速度與合外力成正比；在合外力一定時，加速度與質量成反比。
2. 若未平衡摩擦力，a-F 圖像為不過原點的直線（有截距）；若砂桶質量過大，則拉力測量值偏大，導致 a-F 圖像斜率偏大，實驗結果偏高。
二、拓展應用練習
1. 光滑時：a = F/m = 6/2 = 3 m/s ；有摩擦時：f = μmg = 0.1×2×10 = 2N，F_合 = 6 - 2 = 4N，a = 4/2 = 2 m/s 。
2. 由 F = ma 得 a = F/m = 3600/1200 = 3 m/s ，a' = 1.5×3 = 4.5 m/s ，F' = ma' = 1200×4.5 = 5400N。
3. 氣墊導軌通過向軌道表面噴出空氣，使滑塊懸浮在氣膜上，極大減小接觸摩擦，從而更接近理想無摩擦環境，提高實驗精度。
板書設計
《實驗：探究加速度與力、質量的關系》
【左側】實驗目的：
→ 探究 a 與 F、m 的定量關系
【中部】實驗方法：
→ 控制變量法
　　1. m 不變 → 改變 F → 測 a
　　2. F 不變 → 改變 m → 測 a
【右側】實驗結論：
→ a ∝ F （m 一定）
→ a ∝ 1/m （F 一定）
→ 公式：a = F/m → F = ma
【底部】關鍵操作：
→ 平衡摩擦力：輕推勻速
→ 拉力近似：m_砂桶 << m_小車
→ 數據處理：逐差法、圖像法
教學反思
成功之處
1. 以生活視頻導入有效激發學生興趣，問題鏈設計層層深入，引導學生主動參與方案構建。
2. 實驗組織有序，學生動手積極性高，多數小組能規范操作并獲得有效數據，合作探究氛圍濃厚。
3. 圖像法分析數據效果顯著，學生能從圖像中直觀得出正比、反比關系，科學思維得到有效訓練。
不足之處
1. 部分小組對“平衡摩擦力”操作不夠熟練，導致數據偏差較大，需在后續實驗中加強示范與個別指導。
2. 時間分配略顯緊張，數據分析環節部分學生未能完成圖像繪制，可考慮將數據處理部分延伸至課后。
3. 對實驗誤差的討論不夠深入，部分學生僅停留在表面原因，缺乏對系統誤差與偶然誤差的區分意識。

展開更多......

收起↑