資源簡介

4.3《牛頓第二定律》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 新授課 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三節，是力學核心內容之一。在學習了牛頓第一定律和力的概念后，學生進一步探究力與運動的關系。牛頓第二定律揭示了物體加速度與合外力、質量之間的定量關系，是連接動力學與運動學的橋梁。教材通過實驗探究方式引導學生發現規律，體現了“從實驗出發、歸納總結”的科學思維路徑。本節內容為后續學習動力學問題、連接體問題、超重失重等打下堅實基礎，具有承上啟下的關鍵作用。
學情分析
高一學生已具備初步的實驗觀察能力和邏輯思維能力，掌握了勻變速直線運動規律和力的基本概念，但對“加速度由力產生”這一動態關系理解尚淺。生活中常存在“力是維持運動的原因”等前概念誤區，需通過實驗糾正。學生數學基礎較好，能進行簡單的代數運算和圖像分析，但在控制變量法的應用、實驗誤差分析方面經驗不足。教學中應注重創設真實情境，引導學生動手實驗、合作探究，幫助其建立“力—質量—加速度”三者間的定量認知，突破抽象思維障礙。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解牛頓第二定律的內容，掌握公式F=ma的物理意義，明確加速度方向與合外力方向的一致性。
2. 能夠運用牛頓第二定律解釋生活中常見的加速、減速現象，建立力與運動變化之間的因果觀念。
科學思維
1. 經歷“提出問題—設計實驗—數據分析—得出結論”的完整探究過程，體會控制變量法在物理研究中的應用。
2. 能夠通過實驗數據繪制a-F、a-1/m圖像，分析圖像斜率與質量的關系，發展圖像分析與邏輯推理能力。
科學探究
1. 能夠使用打點計時器、小車、滑輪、砝碼等器材設計并完成“探究加速度與力、質量關系”的實驗。
2. 能夠正確記錄實驗數據，識別并分析實驗中的系統誤差與偶然誤差，提出改進建議。
科學態度與責任
1. 在小組實驗中主動參與、分工協作，尊重他人觀點，養成實事求是的科學態度。
2. 認識到牛頓第二定律在航天、交通、工程等領域的重要應用，增強將物理知識服務于社會的責任意識。
教學重點、難點
重點
1. 牛頓第二定律的內容及其表達式F=ma的理解與應用。
2. 探究加速度與合外力、質量之間關系的實驗設計與數據分析。
難點
1. 理解加速度與合外力的瞬時對應關系及矢量性。
2. 實驗中平衡摩擦力的操作要點及誤差來源分析。
教學方法與準備
教學方法
實驗探究法、情境教學法、合作學習法、講授法
教具準備
軌道、小車、打點計器、紙帶、砝碼組、細繩、滑輪、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、創設真實情境，激發探究興趣 （一）、播放視頻：火箭發射升空全過程
教師播放我國長征系列運載火箭發射升空的震撼視頻，畫面中火焰噴涌、箭體緩緩升起、加速度逐漸增大沖向蒼穹。待視頻結束，教師提問：“同學們，你們是否思考過，是什么力量讓如此龐大的火箭從靜止開始加速升空？它的加速度大小又由哪些因素決定？”引導學生回憶之前學習的力與運動關系，鼓勵大膽猜想。
（二）、提出驅動性問題，引出課題
教師繼續設問：“如果我們將火箭簡化為一個物體，那么它的加速度a與施加的推力F以及自身質量m之間可能存在怎樣的定量關系？今天我們就化身小小科學家，通過實驗來揭開這個宇宙級秘密。”隨即板書課題《4.3 牛頓第二定律》，并強調這一定律不僅是火箭升空的理論基石，也是我們理解一切加速運動的核心鑰匙。
（三）、回顧已有知識，搭建思維橋梁
教師引導學生回顧兩個關鍵知識點：一是牛頓第一定律指出力是改變物體運動狀態的原因，即產生加速度的原因；二是加速度是描述速度變化快慢的物理量。由此建立“力 → 加速度”的初步聯系。接著提問：“既然力能產生加速度，那是不是力越大，加速度就越大？質量越大的物體，是不是越難加速？”通過層層設問，激活學生已有認知，為后續實驗探究做好鋪墊。 1. 觀看視頻，感受力與加速度的宏觀表現。
2. 思考并回答教師提出的問題，進行初步猜想。
3. 回憶牛頓第一定律和加速度定義，建立知識連接。
4. 明確本節課的學習任務和探究目標。
評價任務 猜想合理：☆☆☆
表達清晰：☆☆☆
積極參與：☆☆☆
設計意圖 通過火箭發射這一宏大而真實的物理情境，迅速吸引學生注意力，激發民族自豪感與探究欲望。以“加速度由什么決定”為核心問題驅動學習，使學生帶著明確目標進入課堂。同時，通過回顧舊知，幫助學生構建新舊知識之間的邏輯鏈條，實現認知的自然過渡。
實驗探究一：a與F的關系
【12分鐘】 一、明確探究目標，制定實驗方案 （一）、引導學生確定研究方法——控制變量法
教師提問：“我們要研究加速度a與力F、質量m三個量之間的關系，應該采用什么科學方法？”引導學生回憶初中物理中研究多變量問題的方法，得出“控制變量法”。接著明確本環節目標：保持小車質量m不變，改變拉力F，測量對應的加速度a，探究a與F的關系。教師強調實驗中必須確保拉力F為小車所受的合外力，引出“如何平衡摩擦力”這一關鍵操作。
（二）、演示并講解平衡摩擦力的操作步驟
教師將軌道一端墊高，使小車能在無拉力作用下沿斜面勻速下滑（可通過打點計時器打出的點跡間距相等判斷）。邊操作邊講解：“當我們調節斜面傾角，使得重力沿斜面的分力恰好抵消滑動摩擦力時，小車在不受拉力時做勻速運動，此時軌道已‘平衡摩擦力’。此后施加的拉力F即為小車所受合外力。”強調該步驟對實驗成敗至關重要。
二、組織學生分組實驗，采集數據 （一）、布置實驗任務，明確分工
將全班分為8個實驗小組，每組配備一套實驗裝置。教師下發實驗記錄表，包含F（由懸掛砝碼重力mg提供）、a（通過紙帶上連續兩點間距離計算）兩列數據。要求每組固定小車質量（如200g），依次增加懸掛砝碼質量（5g、10g、15g、20g、25g），每次釋放小車，打出一條紙帶，測量并計算加速度。
（二）、巡視指導，規范操作
教師在教室內巡視，重點指導：如何正確安裝打點計時器、如何確保細繩與軌道平行、如何準確測量紙帶上點距、如何使用Δx=aT 計算加速度。對于操作不當的小組及時糾正，如發現紙帶打點不清、小車偏離軌道等問題立即協助解決。鼓勵小組成員輪流操作、記錄、計算，確保人人參與。 1. 理解控制變量法，明確實驗目的。
2. 觀察教師演示，掌握平衡摩擦力技巧。
3. 分組合作完成實驗，測量并記錄數據。
4. 計算不同拉力下的加速度值。
評價任務 操作規范：☆☆☆
數據真實：☆☆☆
合作有序：☆☆☆
設計意圖 通過教師示范與學生實踐相結合，確保學生掌握“平衡摩擦力”這一關鍵技能，避免因操作失誤導致實驗失敗。分組實驗促進合作學習，讓學生在真實操作中體會科學探究的過程。教師的巡視指導既保障實驗安全與效率，又能在第一時間發現并糾正錯誤，提升實驗質量。
數據分析與結論一
【8分鐘】 一、引導學生處理數據，繪制圖像 （一）、指導學生繪制a-F圖像
教師利用多媒體展示空白坐標系，橫軸為F（單位：N），縱軸為a（單位：m/s ）。邀請各小組代表上臺填寫本組數據點，逐步形成散點圖。教師提問：“這些數據點大致分布在一條什么線上？”引導學生觀察發現：當質量一定時，加速度a隨合外力F的增大而增大，且各點基本落在一條過原點的直線上。
（二）、分析圖像特征，得出定量關系
教師進一步引導：“直線過原點說明什么？斜率代表什么物理意義？”學生討論后得出：a∝F，即加速度與合外力成正比。教師總結：“實驗表明，在質量一定的情況下，物體的加速度與其所受合外力成正比，關系式為a∝F。”板書結論，并強調“合外力”與“正比”兩個關鍵詞。
二、深化理解，辨析易錯點 （一）、提出問題：力消失，加速度是否立即消失？
教師設問：“若某時刻撤去拉力F，小車的加速度會怎樣？”引導學生結合牛頓第一定律思考，明確加速度與合外力具有瞬時對應關系，力變則加速度立刻改變，體現其矢量性和瞬時性。
（二）、引入單位制，鋪墊公式形成
教師說明：“在國際單位制中，力的單位‘牛頓’正是根據F=ma定義的——使質量為1kg的物體產生1m/s 加速度的力為1N。”為后續公式整合提供邏輯支撐。 1. 參與數據匯總，觀察a-F圖像趨勢。
2. 分析圖像，得出a與F的正比關系。
3. 討論加速度的瞬時性，糾正錯誤觀念。
4. 理解牛頓單位的定義來源。
評價任務 圖像準確：☆☆☆
結論正確：☆☆☆
思維深入：☆☆☆
設計意圖 通過集體繪圖實現數據共享，增強課堂互動性。引導學生從圖像中提取物理規律，培養數據處理與圖像分析能力。設置“瞬時性”問題，深化對矢量關系的理解，預防常見誤區。介紹單位定義，增強公式可信度，體現物理學的嚴謹性與內在統一性。
實驗探究二：a與m的關系
【10分鐘】 一、轉換研究變量，延續探究路徑 （一）、提出新任務，保持拉力不變
教師宣布：“接下來我們轉換思路，保持懸掛砝碼質量不變（即拉力F恒定），改變小車的質量m，探究加速度a與質量m之間的關系。”提醒學生仍需確保軌道已平衡摩擦力，并檢查裝置穩定性。
（二）、指導學生設計實驗步驟
教師引導學生討論：“如何改變小車質量？如何保證每次實驗F相同？”學生提出可在小車上添加砝碼以改變總質量，保持懸掛砝碼不變則拉力F不變。教師肯定方案，并強調每次更換質量后需重新確認小車能否勻速下滑，防止因質量變化影響摩擦力平衡。
二、組織學生再次實驗，獲取新數據 （一）、分組實施，采集多組數據
各小組保持懸掛砝碼為20g（F≈0.196N），依次將小車質量調整為200g、250g、300g、350g、400g，分別打出紙帶，計算對應加速度。教師繼續巡視，重點關注質量改變后的軌道狀態和數據記錄準確性。
（二）、引導學生思考非線性關系
在學生實驗過程中，教師提示：“你們發現隨著質量增加，加速度是如何變化的？是不是簡單的反比關系？”鼓勵學生提前預測圖像形狀，為后續圖像處理做準備。 1. 明確實驗目標，理解控制變量條件。
2. 合作改變小車質量，完成多次實驗。
3. 測量并計算不同質量下的加速度。
4. 初步感知a隨m增大而減小的趨勢。
評價任務 變量控制：☆☆☆
操作連貫：☆☆☆
數據完整：☆☆☆
設計意圖 延續上一環節的探究邏輯，讓學生自主遷移“控制變量法”的應用，提升科學探究能力。通過改變研究角度，培養學生多維度分析問題的思維習慣。提前設問引導學生關注非線性關系，激發其對“反比”與“反比于質量”的辨析興趣，為圖像轉換做鋪墊。
數據分析與結論二
【7分鐘】 一、處理數據，繪制a-m與a-1/m圖像 （一）、展示a-m圖像，揭示非線性特征
教師將各組數據匯總，投影出a-m圖像，學生觀察到曲線呈下降趨勢但非直線。教師提問：“這說明a與m不是正比關系，那可能是怎樣的關系？”引導學生回憶數學知識，提出“可能成反比”的猜想。
（二）、引導學生進行圖像線性化處理
教師進一步引導：“若a與m成反比，則a與1/m應成正比。我們不妨嘗試繪制a-1/m圖像。”指導學生計算各次實驗的1/m值（單位kg ），重新繪制散點圖。結果顯示數據點基本落在一條過原點的直線上，驗證了a∝1/m的猜想。
二、整合規律，建立完整定律 （一）、綜合兩次實驗結論
教師總結：“實驗表明，當合外力F一定時，加速度a與質量m成反比，即a∝1/m。”結合前一結論a∝F，利用比例合成原理，得出a∝F/m，即F∝ma。
（二）、引入比例系數，形成牛頓第二定律
教師說明：“在國際單位制下，比例系數k=1，因此我們得到F=ma。這就是偉大的牛頓第二定律。”板書公式，并逐項解釋：F為物體所受合外力（N），m為物體質量（kg），a為加速度（m/s ），三者均為矢量，加速度方向與合外力方向相同。 1. 觀察a-m圖像，提出反比猜想。
2. 計算1/m，繪制a-1/m圖像驗證猜想。
3. 理解a∝F/m的合成過程。
4. 掌握F=ma的公式含義及矢量性。
評價任務 圖像轉換：☆☆☆
規律整合：☆☆☆
公式理解：☆☆☆
設計意圖 通過圖像線性化處理，教會學生一種重要的物理研究方法——將非線性關系轉化為線性關系以便分析。這一過程鍛煉了學生的數學建模能力。最后將兩組實驗結論有機整合，自然導出牛頓第二定律，使學生經歷從現象到本質、從局部到整體的認知飛躍，增強知識建構的邏輯性與成就感。
課堂總結升華
【3分鐘】 一、結構化回顧核心知識 （一）、系統梳理本課所學內容
教師帶領學生回顧整節課的學習路徑：從火箭發射的情境出發，提出問題；通過控制變量法設計實驗，分別探究了a與F、a與m的關系；經數據分析得出a∝F、a∝1/m；最終整合為F=ma——牛頓第二定律。強調該定律揭示了力是產生加速度的原因，明確了加速度與合外力的瞬時性、矢量性關系。
二、升華情感，連接科學與人生 （一）、講述牛頓的科學精神
教師深情總結：“三百多年前，艾薩克·牛頓在蘋果樹下思考，最終構建了經典力學的大廈。他告訴我們：‘如果說我看得比別人更遠些，那是因為我站在巨人的肩膀上。’今天，我們每個人也都經歷了一次小小的科學發現之旅。你們記錄的數據、繪制的圖像、得出的結論，正是科學精神的體現——好奇、實證、理性、協作。”
（二）、激勵學生勇攀科學高峰
“牛頓第二定律不僅解釋了蘋果為何落地，更指引著火箭飛向星辰大海。希望同學們以今日之實驗為起點，保持對世界的好奇與追問，用物理的眼光觀察生活，用科學的方法解決問題。也許未來的某一天，改變世界的下一個‘F=ma’，就誕生于你們之中！” 1. 跟隨教師回顧知識脈絡。
2. 理解定律的科學價值與歷史意義。
3. 感受科學探索的精神力量。
4. 樹立學好物理的信心與志向。
評價任務 知識掌握：☆☆☆
情感共鳴：☆☆☆
志向激發：☆☆☆
設計意圖 采用“結構化總結+升華式總結”相結合的方式，既幫助學生系統梳理知識框架，又通過講述牛頓的故事和寄語未來，激發學生的科學情懷與社會責任感。結尾語富有詩意與激勵性，將物理學習上升到人生追求的高度，實現知識、能力、情感的三維統一。
作業設計
一、基礎鞏固題
1. 質量為2kg的物體在水平面上受到6N的水平拉力作用，若地面光滑，求物體的加速度大小。
2. 一輛汽車質量為1.5×10 kg，在水平路面上由靜止開始勻加速啟動，加速度為2m/s ，若阻力忽略不計，求發動機提供的牽引力大小。
3. 判斷下列說法是否正確，錯誤的請說明理由：
（1）物體受力越大，速度就越大。
（2）加速度方向一定與合外力方向相同。
（3）質量大的物體加速度一定小。
二、實驗拓展題
在本次實驗中，若未完全平衡摩擦力，會對a-F圖像造成什么影響？若使用的細繩不與軌道平行，會對實驗結果產生怎樣的誤差？請結合受力分析圖說明。
三、生活應用題
查閱資料或觀察生活，列舉兩個應用牛頓第二定律的實際例子（如安全帶設計、跳遠助跑、電梯啟動等），并用F=ma簡要解釋其物理原理。
【答案解析】
一、基礎鞏固題
1. 解：由F=ma得 a = F/m = 6N / 2kg = 3m/s
2. 解：F = ma = 1.5×10 kg × 2m/s = 3×10 N
3. （1）錯誤。力決定加速度，不直接決定速度。如物體受力但初速度為零時，速度從零開始增加。
（2）正確。牛頓第二定律指出加速度方向與合外力方向一致。
（3）錯誤。加速度大小還與合外力有關。若合外力也大，加速度可能不小。
二、實驗拓展題
若未平衡摩擦力，則實際合外力為拉力減去摩擦力，導致測得加速度偏小，a-F圖像不過原點，截距為負。若細繩不水平，則拉力有豎直分量，影響正壓力進而改變摩擦力，且水平分力小于砝碼重力，導致F測量值偏大，造成系統誤差。
板書設計
《牛頓第二定律》
【左側】實驗探究路徑：
情境：火箭升空 → 問題：a由誰決定？
方法：控制變量法
實驗1：m不變 → a∝F（a-F圖像過原點直線）
實驗2：F不變 → a∝1/m（a-1/m圖像過原點直線）
結論整合：a∝F/m → F=ma
【中部】牛頓第二定律：
公式：F = ma
矢量性：a方向 ←→ F合方向
瞬時性：F變 → a立即變
單位：1N = 1kg·m/s
【右側】典型應用：
例：F=6N, m=2kg → a=3m/s
生活實例：安全帶防慣性傷害
教學反思
成功之處
1. 以火箭發射為情境導入，極大激發了學生的學習興趣和民族自豪感，實現了“從生活走向物理”的課程理念。
2. 實驗設計完整，學生親歷探究全過程，有效培養了科學思維與實踐能力，特別是在a-1/m圖像處理中體現了高階思維訓練。
3. 板書結構清晰，圖文并茂，突出定律的形成過程與核心要點，有助于學生構建知識體系。
不足之處
1. 部分小組在平衡摩擦力操作上耗時較長，影響了整體實驗進度，今后可提前錄制微視頻供學生預習。
2. 對實驗誤差的討論不夠深入，部分學生未能準確分析斜率偏差原因，需在后續課程中加強誤差分析訓練。
3. 課堂容量較大，最后總結環節略顯倉促，情感升華可再延展一分鐘，增強感染力。

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