資源簡介

4.2《 加速度與力、質量之間的關系》課時教案
學科 物理 年級冊別 高一上冊 共1課時
教材 粵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
本節內容位于粵教版高中物理必修第一冊第四章第二節，是牛頓第二定律的核心前奏。教材通過實驗探究的方式引導學生發現加速度與合外力成正比、與物體質量成反比的定量關系，為后續學習牛頓第二定律奠定基礎。內容體現了“從現象到規律”的科學探究路徑，具有較強的邏輯性和實踐性。
學情分析
高一學生已掌握位移、速度、加速度等基本概念，并具備初步的受力分析能力。但對“控制變量法”理解尚淺，實驗操作經驗不足，容易混淆加速度與速度的關系。同時，學生正處于形象思維向抽象思維過渡階段，需借助直觀實驗和生活實例幫助理解。部分學生在數據處理和圖像分析方面存在障礙，教學中應加強指導與反饋。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解加速度是由物體所受合外力和自身質量共同決定的，建立力、質量與加速度之間的因果關系認知。
2. 掌握加速度與合外力成正比、與質量成反比的基本規律，能用文字和圖像描述該關系。
科學思維
1. 能運用控制變量法設計實驗方案，合理選擇實驗器材并預測實驗結果。
2. 能根據實驗數據繪制a-F、a-1/m圖像，通過圖像斜率分析物理量間的定量關系，提升數據處理與模型建構能力。
科學探究
1. 經歷提出問題、設計實驗、收集數據、分析論證的完整探究過程，增強動手能力和團隊協作意識。
2. 在實驗過程中觀察現象、發現問題并嘗試改進實驗裝置，培養批判性思維與創新意識。
科學態度與責任
1. 養成實事求是的科學態度，尊重實驗數據，不隨意篡改或忽略異常值。
2. 感悟科學家探索自然規律的艱辛歷程，體會物理學在科技發展中的重要作用，激發學習興趣與責任感。
教學重點、難點
重點
1. 通過實驗探究得出加速度與合外力成正比、與質量成反比的結論。
2. 掌握控制變量法在實驗中的應用，理解其實驗思想。
難點
1. 實驗中如何準確測量加速度及減小系統誤差（如摩擦力影響）。
2. 對a-F、a-1/m圖像的理解及其物理意義的解釋。
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
氣墊導軌、光電門、數字計時器、滑塊、細線、砝碼組、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，引發認知沖突。 （一）、播放視頻：賽車起步與貨車啟動對比。
教師播放一段F1賽車瞬間加速與重型卡車緩慢啟動的對比視頻，引導學生觀察兩者加速快慢的明顯差異。提問：“同樣是受到發動機牽引力的作用，為什么賽車能迅速提速而大貨車卻顯得‘笨重’？這背后隱藏著怎樣的物理規律？”鼓勵學生結合已有知識大膽猜測。
（二）、引入生活實例，激活已有經驗。
繼續提問：“如果你推一輛空購物車和一輛裝滿貨物的購物車，施加相同的力，哪輛車更容易加速？如果用很小的力去推一輛很輕的小車呢？”讓學生回憶生活體驗，逐步引出“力”、“質量”、“加速度”三個關鍵詞。
（三）、明確探究主題，構建問題鏈。
教師總結學生的回答，提煉出核心問題：“加速度到底與哪些因素有關？它們之間是否存在某種定量關系？”進而提出本節課的研究任務——探究加速度與力、質量之間的關系。強調科學研究常用的方法是“控制變量法”，即研究兩個量的關系時，保持第三個量不變。 1. 觀看視頻，思考并回答問題。
2. 回憶生活經驗，參與討論。
3. 明確探究目標，理解控制變量法的基本思路。
4. 記錄課題，進入學習狀態。
評價任務 觀察積極：☆☆☆
表達清晰：☆☆☆
思維活躍：☆☆☆
設計意圖 通過貼近生活的視頻和實例激發學生興趣，引發認知沖突，促使學生主動思考；利用問題驅動引導學生回顧已有知識，自然引出本節課的主題；提前滲透“控制變量法”這一重要科學方法，為后續實驗設計做鋪墊。
實驗探究一：a與F的關系
【12分鐘】 一、設計實驗方案，明確操作步驟。 （一）、引導學生討論實驗原理與裝置。
教師展示氣墊導軌實驗裝置實物圖，并講解其作用：“氣墊導軌可以極大減小滑塊運動時的摩擦力，使滑塊近似做勻加速直線運動。”接著引導學生思考：“我們如何產生一個可調節的拉力？又如何測量這個拉力？”提示可用細線連接滑塊與懸掛的砝碼，砝碼重力提供拉力。進一步追問：“當砝碼下落時，它也在加速，此時細線拉力是否等于砝碼重力？”引發學生深入思考系統的動力學問題。最終說明：當砝碼質量遠小于滑塊質量時，可近似認為拉力F ≈ mg。
（二）、組織小組分工，制定實驗計劃。
將全班分為若干實驗小組，每組4人，分別擔任操作員、記錄員、計時員、數據分析員。要求各小組討論并填寫實驗記錄表的第一部分：固定滑塊總質量m（如500g），改變懸掛砝碼質量（如10g、20g、30g、40g、50g），對應不同的拉力F。提醒學生每次更換砝碼后需重新平衡摩擦力（若使用普通軌道）或確認氣墊正常工作。
二、進行實驗操作，采集原始數據。 （一）、演示規范操作流程。
教師親自示范一次完整的實驗過程：將滑塊置于導軌一端，連接細線與砝碼盤；調整光電門位置，確保滑塊通過兩光電門的距離s已知（如30.0cm）；釋放滑塊，記錄數字計時器顯示的時間t 和t ；利用公式v = d/Δt（d為遮光片寬度）計算瞬時速度，再由a = (v - v )/(2s)求得加速度。強調操作細節：釋放滑塊要平穩、避免初速度；重復測量三次取平均值以減少偶然誤差。
（二）、學生分組實驗，教師巡視指導。
各小組按照設計方案開始實驗，教師巡視各組，重點關注實驗操作是否規范、數據記錄是否完整、是否存在安全隱患。對于出現的問題及時糾正，例如提醒學生注意砝碼掉落風險、檢查線路連接等。同時鼓勵學生相互協作，共同完成實驗任務。 1. 觀察裝置，理解實驗原理。
2. 小組討論，填寫實驗方案。
3. 分工合作，動手操作實驗。
4. 記錄數據，初步整理結果。
評價任務 方案合理：☆☆☆
操作規范：☆☆☆
數據真實：☆☆☆
設計意圖 通過師生互動明確實驗原理，突破“拉力近似等于砝碼重力”的條件限制；采用小組合作形式培養學生的團隊意識與實踐能力；教師示范確保操作標準化，降低實驗失敗率；巡視指導體現因材施教，保障實驗順利推進。
數據分析與歸納
【8分鐘】 一、處理實驗數據，繪制函數圖像。 （一）、指導學生計算加速度值。
教師投影一份典型的數據記錄表，帶領學生一起計算一組數據的加速度。例如：遮光片寬d=1.00cm，第一個光電門時間Δt =0.020s，則v =d/Δt =0.50m/s；第二個光電門Δt =0.010s，則v =1.00m/s；兩光電門間距s=0.30m，代入公式a=(v -v )/(2s)=(1.00 -0.50 )/(2×0.30)=1.25m/s 。要求各小組據此方法完成其余數據的計算。
（二）、組織學生繪制a-F圖像。
待各組完成計算后，教師下發坐標紙或打開電子表格軟件，要求學生以拉力F為橫軸、加速度a為縱軸，描點作圖。提醒學生注意坐標軸標度的選擇要合理，使圖像盡可能占據整個坐標區域。完成后，請兩組代表上臺展示所繪圖像，并描述圖像特征。
二、引導圖像分析，得出初步結論。 （一）、啟發學生發現線性關系。
教師提問：“你們繪制的a-F圖像大致呈什么形狀？說明加速度與拉力之間可能存在什么關系？”引導學生觀察到圖像接近一條過原點的直線，從而得出“在質量一定時，加速度與合外力成正比”的結論。進一步追問：“圖像不過原點可能是什么原因造成的？”引導學生反思實驗誤差來源，如未完全平衡摩擦力、空氣阻力等。
（二）、深化圖像物理意義理解。
教師指出：“這條直線的斜率k=Δa/ΔF，它的物理意義是什么呢？”引導學生思考斜率反映的是單位力產生的加速度大小，即物體的“加速度響應能力”。由此自然過渡到下一個探究問題：這種能力是否與物體本身的質量有關？ 1. 計算加速度，完成數據處理。
2. 描點繪圖，呈現數據規律。
3. 觀察圖像，歸納物理結論。
4. 反思誤差，提出改進建議。
評價任務 計算準確：☆☆☆
圖像規范：☆☆☆
結論正確：☆☆☆
設計意圖 通過具體計算強化學生對加速度測量方法的理解；繪圖過程鍛煉學生的數據可視化能力；借助圖像直觀揭示物理規律，符合高中生的認知特點；引導誤差分析培養學生嚴謹的科學態度；設置懸念為下一環節做好鋪墊。
實驗探究二：a與m的關系
【10分鐘】 一、轉換研究視角，重新設計實驗。 （一）、提出新的探究任務。
教師提問：“剛才我們發現，在相同力的作用下，不同質量的物體加速度不同。那么，如果我們保持拉力F不變，改變滑塊的質量m，加速度會如何變化？”引導學生類比前一實驗，采用控制變量法設計新方案：固定懸掛砝碼質量（如30g），改變滑塊上的配重質量（如500g、600g、700g、800g、900g），記錄對應的加速度值。
（二）、指導學生調整實驗參數。
提醒學生每次增加滑塊質量時，必須重新稱量總質量m，并更新記錄表。再次強調“砝碼質量遠小于滑塊質量”的前提條件是否仍然滿足，若不滿足則需適當增大滑塊初始質量以保證近似成立。建議學生仍采用三次測量取平均的方法獲取加速度。
二、實施實驗操作，收集新數據。 （一）、學生獨立完成第二輪實驗。
各小組按照新方案開展實驗，教師繼續巡視，重點檢查質量測量是否準確、數據記錄是否同步。鼓勵學生在實驗過程中主動發現問題，如滑塊運行不穩定、光電門誤觸發等，并嘗試自行解決。
（二）、引導數據整理與轉換。
實驗結束后，教師提問：“如果我們直接畫a-m圖像，會是什么樣子？”學生嘗試后發現曲線難以判斷規律。此時教師提示：“物理學中常通過變量替換將非線性關系轉化為線性關系。既然我們認為a與m成反比，那a與1/m是否成正比？”引導學生計算各次實驗中1/m的值，并準備繪制a-1/m圖像。 1. 設計新實驗方案，明確變量控制。
2. 調整裝置，測量不同質量下的加速度。
3. 計算1/m值，為繪圖做準備。
4. 完成數據采集，提交分析結果。
評價任務 設計科學：☆☆☆
操作有序：☆☆☆
數據完整：☆☆☆
設計意圖 延續探究主線，強化控制變量法的應用；通過變量轉換訓練學生的數學建模能力；讓學生經歷“發現問題—尋求解決策略”的過程，提升科學探究素養；進一步鞏固實驗技能，形成完整探究閉環。
規律總結與升華
【7分鐘】 一、綜合兩次實驗，構建完整規律。 （一）、組織全班交流實驗成果。
邀請兩組學生代表分別展示他們的a-1/m圖像，其他小組補充意見。教師匯總多組數據，投影出典型的a-F和a-1/m圖像，引導學生共同總結：
“實驗表明：當物體質量m一定時，加速度a與合外力F成正比，即a ∝ F；當合外力F一定時，加速度a與質量m成反比，即a ∝ 1/m。”
進而得出綜合關系式：a ∝ F/m，即F ∝ ma。為下一節正式學習牛頓第二定律F=ma埋下伏筆。
（二）、介紹伽利略的貢獻與科學精神。
教師講述：“早在17世紀，伽利略就通過斜面實驗和理想推理，提出了力不是維持物體運動的原因，而是改變物體運動狀態的原因。他雖未能寫出F=ma的精確公式，但為牛頓最終建立經典力學體系奠定了基石。”引用愛因斯坦評價：“伽利略的發現以及他所應用的科學推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一。”激勵學生學習科學家勇于質疑、追求真理的精神。
二、聯系實際應用，拓展思維空間。 （一）、解析開頭視頻中的物理奧秘。
回到課堂導入的賽車與貨車問題，引導學生運用剛學到的知識解釋：“賽車質量小、發動機提供的牽引力大，因此加速度大；而貨車質量大，即使牽引力較大，加速度也相對較小。”進一步提問：“汽車安全帶、安全氣囊的設計與加速度有何關系？”引導學生認識到急剎車時巨大的減速度會產生巨大沖擊力，安全裝置的作用正是延長作用時間以減小沖擊力，體現物理知識在工程安全中的價值。 1. 展示圖像，分享實驗發現。
2. 聽取講解，理解歷史背景。
3. 應用規律，解釋生活現象。
4. 感悟科學精神，提升認知層次。
評價任務 結論完整：☆☆☆
聯系實際：☆☆☆
情感共鳴：☆☆☆
設計意圖 通過歸納總結實現知識結構化，幫助學生形成系統認知；融入物理學史教育，增強課程人文底蘊；回歸生活情境，體現“從生活中來，到生活中去”的教學理念；激發學生社會責任感，實現情感態度價值觀目標。
作業設計
一、基礎鞏固題
1. 在探究加速度與力、質量關系的實驗中，采用的科學方法是__________。為了減小摩擦力的影響，實驗中使用了__________裝置。
2. 某同學在實驗中得到如下數據（滑塊質量保持500g不變）：
F/N0.1 0.2 0.30.4 0.5 a/(m·s 0.180.400.62 0.781.02
請在坐標紙上作出a-F圖像，并判斷a與F是否成正比，說明理由。
二、能力提升題
3. 若某次實驗中未完全平衡摩擦力，則a-F圖像可能是下列哪種情況？（ ）
A. 過原點的直線　B. 不過原點且向上彎曲的曲線　C. 不過原點的直線　D. 向下彎曲的曲線
4. 已知地球表面重力加速度約為10 m/s 。一輛質量為1.5噸的汽車，在水平路面上由靜止啟動，發動機提供恒定牽引力3000N，若忽略空氣阻力和滾動摩擦，求汽車啟動后5秒內的位移是多少？
三、拓展探究題
5. 查閱資料了解“牛頓第二定律”的發現歷程，寫一篇200字左右的小短文，談談你對“科學發現離不開實驗與理論結合”的理解。
【答案解析】
一、基礎鞏固題
1. 控制變量法；氣墊導軌（或打點計時器+長木板）
2. 描點作圖后可見大致呈過原點的直線，說明a與F成正比。個別點偏離可能是測量誤差所致。
二、能力提升題
3. C（未平衡摩擦力時，需一定拉力才能克服阻力產生加速度，故圖像截距不為零）
4. 解：由a = F/m = 3000N / 1500kg = 2 m/s ，s = at = × 2 × 5 = 25m。答：位移為25米。
板書設計
§4.2 加速度與力、質量的關系
【主線】控制變量法 → 實驗探究 → 圖像分析 → 得出規律
一、探究a與F的關系（m一定）
a ∝ F
a-F圖像：過原點的直線
二、探究a與m的關系（F一定）
a ∝ 1/m
a-1/m圖像：過原點的直線
三、綜合結論：
a ∝ F/m → F ∝ ma
【關鍵提醒】
拉力F ≈ mg（當m_砝 << m_滑塊）
減小誤差：氣墊導軌、多次測量、平衡摩擦力
科學精神：伽利略的理想實驗 → 牛頓的統一理論
教學反思
成功之處
1. 以真實視頻導入，有效激發學生興趣，問題鏈設計層層遞進，引導自然流暢。
2. 實驗環節組織有序，學生參與度高，多數小組能獨立完成數據采集與圖像繪制，體現了“做中學”的理念。
3. 注重科學方法滲透，控制變量法貫穿始終，圖像分析能力得到有效訓練。
不足之處
1. 部分小組在數據處理時計算速度較慢，導致課堂節奏略顯緊張，今后可提前發放計算器或簡化公式。
2. 對于“拉力近似等于砝碼重力”的條件解釋不夠深入，個別學生仍存疑惑，需補充微元分析或動畫演示。
3. 課堂生成性問題處理不夠充分，如某組發現a-F圖像明顯彎曲，未能當場深入探討可能原因。

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