資源簡介

5.3《牛頓第二運動定律》課時教案
學科 物理 年級冊別 高一上冊 共1課時
教材 魯科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
本節內容位于魯科版高中物理必修第一冊第五章第三節，是連接“牛頓第一定律”與“力學綜合應用”的核心橋梁。教材通過實驗探究加速度與力、質量的關系，引導學生從定性觀察走向定量分析，最終建立牛頓第二定律的數學表達式F=ma。該定律不僅是經典力學的基石，更是后續學習動力學問題（如連接體、斜面、超重失重）的關鍵工具。
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，并通過前一節學習了慣性與力的關系。但對“加速度由什么決定”仍存在模糊認知，常誤認為“有力就有速度”或“速度大則加速度大”。此外，學生剛接觸控制變量法和圖像處理數據的方法，動手能力和邏輯推理尚在發展中。因此，教學中需借助直觀實驗和層層設問，幫助學生突破思維誤區，構建正確的因果關系。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解牛頓第二定律的內容，掌握其矢量性和瞬時性特征，能用F=ma進行簡單的定量計算。
2. 能區分質量與重量，理解質量是物體慣性大小的量度，明確加速度是由合外力和質量共同決定的。
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，提升歸納與演繹能力。
2. 能運用控制變量法研究多因素影響問題，學會通過a-F、a-1/m圖像判斷物理量間的正比關系。
科學探究
1. 能獨立完成“探究加速度與力、質量的關系”實驗操作，正確使用打點計時器、小車、滑輪、砝碼等器材。
2. 能根據紙帶數據計算加速度，并繪制圖像分析規律，形成基于證據的科學結論。
科學態度與責任
1. 在小組合作實驗中培養實事求是的科學態度，尊重實驗數據，勇于修正錯誤假設。
2. 感悟牛頓如何通過嚴密推理將經驗觀察上升為普適規律，體會物理學對人類認知世界的深遠影響。
教學重點、難點
重點
1. 牛頓第二定律的實驗探究過程及其內容表述。
2. 掌握公式F=ma的含義及簡單應用。
難點
1. 理解加速度與合外力的瞬時對應關系和矢量性。
2. 實驗中平衡摩擦力的操作原理及誤差分析。
教學方法與準備
教學方法
情境探究法、實驗探究法、講授法、合作學習
教具準備
軌道小車實驗裝置、打點計時器、電源、紙帶、刻度尺、天平、砝碼組、細繩、滑輪、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、生活現象引發認知沖突 （一）、播放視頻：同一型號的兩輛小汽車啟動對比。
視頻1：空載轎車在平直公路上平穩加速行駛；
視頻2：滿載貨車在同一道路上緩慢提速，明顯吃力。
提問：“為什么同樣是發動機提供動力，空車起步快而重車起步慢？這說明加速度可能與哪些因素有關？”
引導學生思考并自由發言，預設回答包括“力量大小”、“車子輕重”、“發動機好壞”等。
進一步追問：“如果一輛車掛空擋滑行，它有沒有受到牽引力？有沒有加速度？”幫助學生區分“力”與“運動狀態改變”的本質區別，引出“加速度由什么決定”這一核心問題。
二、回顧舊知，明確探究方向 （一）、復習牛頓第一定律的核心思想。
教師陳述：“一切物體總保持勻速直線運動狀態或靜止狀態，除非有外力迫使它改變這種狀態。”
強調：“力是改變物體運動狀態的原因，而不是維持運動的原因。”
過渡語：“那么，力是如何改變運動狀態的呢？具體來說，加速度a與作用力F之間有什么定量關系？又是否與物體本身的屬性——比如質量m有關？今天我們就來揭開這個謎底。”
板書課題：§5.3 牛頓第二運動定律 1. 觀看視頻，思考加速度的影響因素。
2. 回憶牛頓第一定律內容。
3. 提出猜想：加速度可能與力成正比，與質量成反比。
4. 明確本節課的學習任務。
評價任務 提出猜想：☆☆☆
語言表達：☆☆☆
參與討論：☆☆☆
設計意圖 以真實生活場景激發興趣，制造認知沖突，促使學生主動思考；通過復習舊知建立知識銜接，自然引出探究主題，使學習目標清晰明確。
實驗探究
【18分鐘】 一、設計實驗方案，明確控制變量法 （一）、引導學生討論實驗思路。
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。一次只能改變一個變量，其他保持不變——這種方法叫什么？”
待學生答出“控制變量法”后，繼續設問：“那么我們應分幾步來做實驗？”
師生共同歸納：
第一步：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；
第二步：保持拉力F不變，改變小車質量m，測量對應的加速度a，探究a與m的關系。
強調：“這里的F必須是小車所受的合外力！”
（二）、解決關鍵難題：如何獲得恒定且可測的合外力？
展示實驗裝置圖（含軌道、小車、細繩、跨過滑輪的砝碼桶）。
講解：“我們用砝碼桶和其中砝碼的總重力G來近似替代小車所受的拉力F。但只有當砝碼桶質量遠小于小車質量時，這種近似才成立。”
演示解釋原因：若將砝碼桶也視為系統一部分，則整個系統的加速度a = G / (M + m)，所以繩子拉力T = M·a = M·G/(M+m) < G。只有當m << M時，T ≈ G。
接著提問：“除了拉力，還有哪個力會影響合外力？”引導學生想到“摩擦力”。
提出解決方案：“我們必須先平衡摩擦力——讓軌道略微傾斜，直到輕推小車后它能沿軌道勻速下滑，此時重力沿斜面的分力恰好抵消滑動摩擦力。”
現場演示調平過程，強調這是保證F=F拉的前提。
二、分組實驗，采集數據 （一）、布置實驗任務與分工。
將全班分為6個實驗小組，每組4人，分別負責操作儀器、添加砝碼、記錄數據、處理紙帶。
發放實驗記錄表，表頭包括：實驗次數、小車質量M/kg、砝碼桶質量m/kg、拉力F/N（取mg）、紙帶上相鄰兩點間距x1, x2…、加速度a計算值。
提醒注意事項：
1. 每次更換砝碼前必須斷開電源；
2. 打點計時器使用交流6V以下電壓；
3. 釋放小車前應使其靠近打點計時器；
4. 至少重復三次實驗取平均值以減小偶然誤差。
（二）、巡視指導，確保規范操作。
教師在各組間巡視，重點檢查：
- 是否已成功平衡摩擦力（可通過無拉力時小車能否勻速運動驗證）；
- 砝碼添加順序是否合理（建議每次增加相同質量，如10g）；
- 紙帶打點是否清晰，是否舍去開頭密集點；
- 學生是否掌握逐差法求加速度：
例如：a = [(x4+x5+x6) - (x1+x2+x3)] / (9T )，其中T=0.02s為打點周期。
對于操作困難的小組及時示范糾正，鼓勵學生大膽嘗試、細心觀察。 1. 小組討論實驗步驟，理解控制變量法。
2. 動手調節軌道傾角，完成摩擦力平衡。
3. 按照分工合作完成實驗操作與數據記錄。
4. 利用逐差法計算加速度，填寫實驗表格。
評價任務 操作規范：☆☆☆
數據準確：☆☆☆
團隊協作：☆☆☆
設計意圖 通過問題鏈引導學生自主建構實驗邏輯，深化對“合外力”概念的理解；強調實驗細節與誤差控制，培養學生嚴謹的科學態度；小組合作促進交流與互助，體現探究式學習的價值。
數據分析
【10分鐘】 一、整理數據，繪制圖像 （一）、組織學生繪制a-F圖像。
要求各小組根據第一部分實驗數據（質量不變），在坐標紙上描點繪制a-F圖像。
教師投影展示一組典型數據，現場示范繪圖：
橫軸F單位N，縱軸a單位m/s ，標度合理，點跡清晰。
提問：“大家發現這些點大致分布在一條什么樣的線上？”
引導學生觀察得出：“是一條過原點的直線。”
結論：“這說明在質量一定時，加速度a與合外力F成正比，即a ∝ F。”
（二）、繪制a-1/m圖像。
要求學生根據第二部分實驗數據（拉力不變），計算各次實驗中小車總質量的倒數1/M，并以此為橫坐標，加速度a為縱坐標作圖。
提示：“如果我們猜測a與m成反比，那么a與1/m就應該成正比，圖像應該也是過原點的直線。”
展示多個小組的圖像結果，多數呈現良好線性關系。
結論：“在合外力一定時，加速度a與質量m成反比，即a ∝ 1/m。”
二、綜合結論，建立定律 （一）、引導學生整合兩個比例關系。
教師提問：“既然a ∝ F 且 a ∝ 1/m，那么我們可以寫成什么形式？”
引導學生寫出：a ∝ F/m → F ∝ ma → F = k·ma
追問：“k是什么？它的單位和數值是多少？”
講解：“在國際單位制中，我們定義1N = 1kg·m/s ，從而使比例系數k=1，于是得到F = ma。”
正式板書牛頓第二定律內容：
物體的加速度a與所受合外力F成正比，與物體的質量m成反比，加速度的方向與合外力的方向相同。
公式表達：F = ma
強調三大特性：
1. 矢量性：a與F同向；
2. 瞬時性：F變化，a立即隨之變化；
3. 同體性：F、m、a對應同一物體。 1. 根據實驗數據繪制a-F和a-1/m圖像。
2. 觀察圖像趨勢，得出正比關系。
3. 參與推導F=ma的數學表達式。
4. 理解定律的矢量性、瞬時性和同體性。
評價任務 圖像規范：☆☆☆
規律發現：☆☆☆
公式理解：☆☆☆
設計意圖 通過圖像法處理數據，直觀展現物理規律，培養學生數據處理能力；從實驗現象到數學建模，經歷科學抽象過程；強調定律的三大特性，幫助學生全面把握其內涵。
典例精析
【7分鐘】 一、基礎應用，鞏固理解 （一）、出示例題1：水平面上的加速問題。
題目原文：“質量為2kg的物體放在光滑水平面上，受到水平方向的恒定拉力F=10N作用，求物體的加速度大小。”
引導學生分析：
1. 物體受幾個力？豎直方向：重力和支持力平衡；水平方向：僅受拉力F。
2. 合外力F合=F=10N。
3. 使用F=ma → a = F/m = 10N / 2kg = 5m/s 。
強調方向與F一致。
（二）、出示例題2：含摩擦力的動力學問題。
題目原文：“質量為5kg的木箱在水平地面上滑動，動摩擦因數μ=0.2，初速度向右，現施加一個向右的水平推力F=20N，求木箱的加速度。（g取10m/s ）”
逐步引導：
1. 受力分析：重力G=mg=50N，支持力N=50N，滑動摩擦力f=μN=0.2×50N=10N（方向向左），推力F=20N（向右）。
2. 合外力F合=F - f = 20N - 10N = 10N（方向向右）。
3. a = F合/m = 10N / 5kg = 2m/s ，方向向右。
提醒學生注意摩擦力方向始終與相對運動方向相反，不能遺漏。 1. 分析受力情況，找出合外力。
2. 應用F=ma公式計算加速度。
3. 判斷加速度方向。
4. 規范書寫解題步驟。
評價任務 受力分析：☆☆☆
公式應用：☆☆☆
方向判斷：☆☆☆
設計意圖 通過典型例題訓練學生規范解題能力，強化“先受力分析，再求合外力，最后代入公式”的解題流程；涵蓋理想與實際兩種情景，提升知識遷移能力。
課堂總結
【5分鐘】 一、升華式總結：從實驗到真理的飛躍 （一）、回顧整節課的知識脈絡。
教師深情講述：“今天我們走過了三百多年前牛頓走過的路。從生活中的一次急剎車、一次起步加速，到實驗室里一張張布滿小點的紙帶，再到坐標紙上那條優美的直線——我們一步步逼近了自然界最深刻的秘密之一。”
引用愛因斯坦評價：“牛頓啊，請原諒我。你所發現的道路，在你的時代，乃是唯一可能的途徑。你創造的概念，至今仍在指導著我們的物理思維。”
（二）、提煉科學方法與人生啟示。
“我們不僅學會了F=ma這個公式，更重要的是體驗了科學探究的魅力：提出猜想、設計實驗、收集證據、建立模型。這不僅僅適用于物理，也適用于你們未來面對人生的每一個難題。”
結語升華：“每一次加速度的產生，都需要一個不為零的合外力；而每一個人的成長，也都需要不斷克服自身的‘慣性’，勇敢地接受來自理想與奮斗的‘合力’推動。愿你們都能成為自己命運的‘合外力’，向著心中的目標，持續加速！” 1. 跟隨教師回顧知識主線。
2. 理解科學探究的過程與價值。
3. 感悟物理規律背后的哲學意義。
4. 建立積極進取的人生態度。
評價任務 知識回顧：☆☆☆
情感共鳴：☆☆☆
價值認同：☆☆☆
設計意圖 通過歷史視角和名人名言提升課堂格調，讓學生感受科學之美；將物理規律升華為人生哲理，實現情感態度價值觀的自然滲透，達到激勵性與升華式總結的雙重效果。
作業設計
一、基礎鞏固題
1. 質量為4kg的物體在水平面上運動，受到水平拉力F=16N作用，若地面光滑，求其加速度；若動摩擦因數為0.25，求其加速度。（g=10m/s ）
2. 一個物體在合力F作用下產生加速度a。若合力增大為原來的3倍，質量減小為原來的一半，則加速度變為原來的多少倍？
3. 判斷下列說法是否正確，錯誤的請說明理由：
（1）物體速度越大，加速度就越大。
（2）物體受力越大，加速度就越大。
（3）加速度方向一定與合外力方向相同。
二、拓展探究題
4. 查閱資料了解“超重”與“失重”現象，嘗試用牛頓第二定律解釋電梯上升啟動瞬間為何人會感覺“變重”。
5. 設計一個小實驗：利用手機慢動作拍攝功能，記錄小車在不同坡度斜面上下滑的過程，估算其加速度，并分析傾角與加速度的關系。（可選做）
【答案解析】
一、基礎鞏固題
1. 光滑時：a = F/m = 16/4 = 4m/s ；有摩擦時：f = μmg = 0.25×4×10 = 10N，F合 = 16 - 10 = 6N，a = 6/4 = 1.5m/s 。
2. 由F=ma得a=F/m，新加速度a' = (3F)/(0.5m) = 6(F/m) = 6a，即變為原來的6倍。
3. （1）錯，加速度與速度無直接關系；（2）錯，還需考慮質量；（3）正確。
二、拓展探究題
4. 電梯啟動向上時，加速度向上，支持力大于重力，出現超重，故感覺“變重”。
5. 提示：利用v =2as或逐幀時間間隔測算加速度，分析sinθ與a的關系。
板書設計
§5.3 牛頓第二運動定律
【左側】實驗探究路徑：
生活現象 → 提出問題 → 控制變量法 → 平衡摩擦力 → 數據采集 → 圖像分析 → 得出規律
【中部】核心內容：
文字表述：a ∝ F（m一定）
　　　　　a ∝ 1/m（F一定）
→ F = ma
→ 矢量性：a↑↑F合
→ 瞬時性：F變→a變
→ 同體性：F、m、a屬同一物體
【右側】解題流程：
受力分析 → 求F合 → F合=ma → 求a
教學反思
成功之處
1. 以生活視頻導入有效激發學生興趣，成功引發認知沖突，為探究做好鋪墊。
2. 實驗環節組織有序，學生動手積極性高，多數小組能順利完成數據采集與圖像繪制，體現了“做中學”的理念。
3. 總結部分融入科學史與人生哲理，提升了課堂的思想深度，學生反饋良好。
不足之處
1. 部分學生在處理紙帶數據時計算速度較慢，導致實驗時間緊張，今后可提前教授電子表格輔助計算。
2. 對于“為何要平衡摩擦力”的理解仍有個別學生模糊，應在講解時增加受力對比動畫演示。
3. 例題講解節奏稍快，個別基礎薄弱學生未能完全跟上，下次應增加一道中間梯度題。

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