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 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三節，是經典力學的核心內容之一。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。教材通過實驗探究的方式引導學生發現規律，體現了“從實驗到理論”的科學思維路徑。
學情分析
高一學生已具備初步的力學知識基礎，理解了力的作用效果和慣性概念，但對加速度與力、質量之間關系的認知仍停留在定性層面。他們正處于抽象思維發展的關鍵期，具備一定的邏輯推理能力，但數學建模能力和實驗數據分析能力較弱。生活經驗中常見推車、剎車等現象，但缺乏系統提煉。主要困難在于如何將實驗數據轉化為物理規律，并理解公式F=ma的矢量性與瞬時性。需通過情境創設與合作探究突破認知障礙。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解牛頓第二定律的內容，掌握加速度與合外力、質量之間的定量關系，能用F=ma進行簡單計算。
2. 認識定律中的因果關系：合外力是產生加速度的原因，質量是物體慣性大小的量度。
科學思維
1. 經歷“提出問題—設計實驗—收集數據—分析歸納—得出結論”的完整探究過程，提升科學推理與模型建構能力。
2. 能夠運用控制變量法分析多因素影響的問題，理解公式中各物理量的矢量性和瞬時對應關系。
科學探究
1. 能獨立完成或小組協作完成“探究加速度與力、質量關系”的實驗操作，正確使用打點計時器、小車、滑輪、砝碼等器材。
2. 學會處理紙帶數據，利用v-t圖像求加速度，并繪制a-F、a-1/m圖像，從中歸納物理規律。
科學態度與責任
1. 在實驗過程中養成實事求是、嚴謹細致的科學態度，尊重實驗數據，勇于修正錯誤假設。
2. 感受科學家探索自然規律的艱辛歷程，體會物理規律的簡潔美與普適性，增強探索未知世界的興趣與責任感。
教學重點、難點
重點
1. 牛頓第二定律的內容及其數學表達式F=ma的理解與應用。
2. 實驗探究加速度與合外力、質量之間的關系，掌握控制變量法。
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原理及誤差分析。
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、細繩、滑輪、鉤碼組、天平、刻度尺、多媒體課件
教學環節 教師活動 學生活動
情景導入
【5分鐘】 一、生活情境引發認知沖突 （一）、播放視頻并提問：
播放一段視頻：同一輛電動車，在空載時輕踩油門迅速提速；滿載三人時，即使全力加速也提速緩慢。緊接著切換場景：一輛靜止的兒童三輪車，成人輕輕一推就快速啟動；而一輛停著的小汽車，哪怕用力推也幾乎不動。
引導語：“同學們，你們是否注意到這些日常現象？為什么同樣的力作用下，不同物體的‘反應’差別這么大？同樣是電動車，載人前后加速性能為何截然不同？這背后隱藏著怎樣的物理規律？”
等待學生自由發言后，繼續追問：“我們已經知道力是改變物體運動狀態的原因，那么，這個‘改變’到底有多快——也就是加速度——究竟由哪些因素決定？是不是僅僅取決于力的大小？”
此時，引用伽利略在《兩種新科學》中的思考：“若不考慮阻力，所有物體下落的加速度都相同。”這說明加速度可能與質量有關。再聯系牛頓第一定律中“質量越大，越難改變運動狀態”，引出本節課的核心議題：加速度a、合外力F、質量m三者之間是否存在確定的數量關系？
過渡語：“時代的一粒塵，落到一個人身上就是一座山；而一個微小的力，施加在不同質量的物體上，產生的‘加速度之變’卻大相徑庭。今天，我們就化身小小科學家，親手揭開這一定律的神秘面紗。” 1. 觀看視頻，聯系生活經驗思考問題。
2. 自由表達對現象的理解和猜測。
3. 明確本節課要探究的核心問題。
4. 進入探究情境，激發求知欲。
評價任務 現象描述：☆☆☆
問題提出：☆☆☆
猜想合理：☆☆☆
設計意圖 以貼近生活的視頻情境切入，制造認知沖突，激活已有經驗。通過層層設問引導學生從定性感知走向定量探究的思維路徑，明確研究方向。引用伽利略名著增強科學史滲透，使課堂富有文化深度與哲思意味，為后續實驗探究鋪設情感與認知基礎。
實驗探究
【18分鐘】 一、明確探究思路與實驗設計 （一）、引導學生構建探究框架：
教師提問：“我們要研究三個變量之間的關系，直接同時改變它們可行嗎？”待學生意識到復雜性后，引入科學研究的經典方法——控制變量法。
板書呈現：
第一步：保持小車質量m不變，改變牽引力F（通過增減鉤碼實現），測量對應的加速度a，探究a與F的關系；
第二步：保持牽引力F不變（鉤碼數量固定），改變小車質量m（在小車上添加砝碼），測量對應的加速度a，探究a與m的關系。
強調實驗中需解決的關鍵技術問題：如何減小摩擦對實驗結果的影響？引導學生回憶前面“探究勻變速直線運動”實驗中平衡摩擦力的方法——調節軌道傾角，使小車能在無拉力作用下沿斜面勻速下滑（即打點計時器打出的點間距均勻）。只有這樣，細繩的拉力才等于小車所受的合外力。
（二）、講解實驗裝置與操作要點：
展示實驗裝置圖（多媒體投影）：軌道一端安裝滑輪，小車通過細繩跨過滑輪連接鉤碼，打點計時器固定于軌道另一端，紙帶穿過打點計時器并與小車相連。
詳細說明操作步驟：
1. 安裝儀器，確保軌道水平（可用氣泡水準儀輔助判斷）；
2. 平衡摩擦力：取下鉤碼，輕推小車，調整軌道底座螺絲直至紙帶上打出的點跡間隔基本相等；
3. 控制質量不變實驗：將50g鉤碼掛在細繩末端作為牽引力源，啟動打點計時器，釋放小車，記錄一條紙帶；更換不同質量的鉤碼（如100g、150g），重復實驗三次，每次更換鉤碼后需檢查是否仍處于平衡狀態；
4. 控制力不變實驗：保持鉤碼質量為100g不變，分別在小車上增加0g、100g、200g的配重塊，測出對應質量下的加速度，同樣記錄紙帶。
提醒注意事項：每次實驗前確認打點計時器工作正常；釋放小車時應靠近打點計時器；更換配重后重新稱量總質量；鉤碼質量遠小于小車質量以保證拉力近似等于鉤碼重力（可簡要解釋系統誤差來源）。
二、分組實驗與數據采集 （一）、組織學生分組實驗：
將全班分為8個小組，每組6人，明確分工：兩人負責操作儀器，兩人處理紙帶，一人記錄數據，一人匯總報告。
發放實驗記錄表模板：
表格1：a與F關系（m=0.5kg）
實驗次數鉤碼質量(g)拉力F(N)加速度a(m/s )1500.4921000.9831501.47
表格2：a與m關系（F=0.98N）
實驗次數 小車質量(kg) 1/m(kg )加速度a(m/s )10.52.020.61.6730.71.43
巡視各組，重點指導：如何從紙帶上選取清晰的點段；如何使用逐差法計算加速度（Δx=aT ）；提醒學生注意單位換算（g→kg，cm→m）；及時糾正操作失誤，如未完全平衡摩擦力導致點距不均等。
鼓勵學生大膽嘗試，允許出現偏差，并引導他們思考誤差來源。
1. 理解控制變量法的應用邏輯。
2. 動手組裝器材并完成摩擦力平衡。
3. 分工協作進行實驗操作與數據記錄。
4. 初步處理紙帶，計算加速度值。
評價任務 操作規范：☆☆☆
數據真實：☆☆☆
計算準確：☆☆☆
設計意圖 通過系統化的實驗設計講解，幫助學生建立完整的科學探究流程意識。強調“平衡摩擦力”這一關鍵操作的技術原理，避免機械模仿。采用小組合作模式，促進同伴互助與責任分工。提供結構化記錄表，引導學生有序收集數據。教師巡視中注重過程性指導，關注思維生成而非僅結果正確，培養學生面對真實實驗情境的應變能力與科學素養。
數據分析
【10分鐘】 一、數據整理與圖像繪制 （一）、指導學生處理實驗數據：
邀請一組代表上臺展示其紙帶樣本，現場演示逐差法計算過程：“我們在紙帶上選出連續六個計數點，每兩個點間時間為0.1秒，測得相鄰位移分別為x =2.10cm, x =2.50cm, x =2.90cm, x =3.30cm, x =3.70cm。根據公式 a = (x +x x x )/(4T )，代入T=0.1s，得 a = (3.30+3.70 2.50 2.90)/0.04 × 0.01 = 0.4 m/s 。”
其他小組對照修正自己的計算結果。教師匯總各組數據，填入電子表格進行實時投影。
二、構建圖像尋找規律 （一）、繪制a-F圖像：
要求學生以F為橫坐標、a為縱坐標，在坐標紙上描點作圖。觀察發現各點大致落在一條過原點的直線上，說明當質量一定時，加速度與合外力成正比，即 a ∝ F。
追問：“如果延長這條直線，它是否會經過坐標原點？為什么？”引導學生回顧平衡摩擦力的意義：只有當F=0時a=0，才能證明拉力確實是合外力。
（二）、繪制a-1/m圖像：
再次提問：“加速度與質量是正比還是反比？如果是反比，圖像應該是曲線，不易判斷。我們可以嘗試畫a與1/m的關系圖。”
學生計算各次實驗的1/m值，并繪制a-1/m圖像。觀察發現點跡再次接近一條過原點的直線，說明當合外力一定時，加速度與質量成反比，即 a ∝ 1/m。
綜合兩個結論，得出 a ∝ F/m，進而引出比例式 F = k·ma。通過國際單位制的規定，k=1，最終得到 F = ma。
強調該公式的矢量性：加速度方向始終與合外力方向一致；瞬時性：F變化瞬間，a立即隨之變化。
1. 掌握逐差法求加速度的方法。
2. 正確繪制a-F和a-1/m圖像。
3. 從圖像中歸納物理規律。
4. 理解F=ma的物理意義。
評價任務 圖像規范：☆☆☆
規律發現：☆☆☆
公式理解：☆☆☆
設計意圖 通過典型樣例示范數據處理方法，降低學生的操作門檻。利用現代信息技術匯總數據，提高課堂效率。引導學生主動轉換變量（a-1/m圖），體現“線性化”思想在物理研究中的重要價值。從圖像出發歸納定律，符合高中生的認知特點，強化“實驗→數據→規律”的科學思維鏈條。適時點撥矢量性與瞬時性，深化對定律本質的理解，避免將其簡化為純數學公式。
規律總結
【7分鐘】 一、凝練牛頓第二定律內容 （一）、師生共同總結定律表述：
教師引導：“結合我們的實驗探究，誰能完整地說出牛頓第二定律的內容？”
預設學生回答后，教師規范表述并板書：
“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。”
寫出數學表達式：F = ma
強調三點：
1. 同體性：F、m、a必須對應同一物體；
2. 矢量性：a與F同向，解題時注意正方向設定；
3. 瞬時性：F變則a立即變，F=0則a=0。
舉例說明：汽車啟動瞬間，發動機提供向前的牽引力，加速度立即產生；踩下剎車，制動力反向，加速度立即反向，速度不會立刻歸零。
二、拓展討論與歷史回望 （一）、介紹定律的歷史地位：
“1687年，艾薩克·牛頓在《自然哲學的數學原理》中首次系統闡述了這一定律，它不僅解釋了地球上的物體運動，還成功預言了行星軌道，開啟了人類用數學語言描述自然的時代。”
引用愛因斯坦評價：“牛頓啊，請原諒我……你所創造的概念，在今天仍然指導著我們物理學的思維。”
過渡語：“每一個偉大的公式背后，都是無數個日夜的觀測、實驗與沉思。F=ma看似簡潔，卻是人類智慧對宇宙秩序的一次深刻叩問。” 1. 復述牛頓第二定律的內容。
2. 理解公式三性：同體、矢量、瞬時。
3. 記錄板書要點。
4. 感受科學巨匠的思想力量。
評價任務 表述完整：☆☆☆
理解三性：☆☆☆
情感共鳴：☆☆☆
設計意圖 通過師生互動完成規律表述，增強參與感。提煉“三性”便于記憶與應用。融入科學史教育，讓學生感受定律背后的文明厚度。引用愛因斯坦話語，體現科學精神的傳承。結尾升華至人類認知自然的高度，激發學生的敬畏之心與探索欲望，實現知識傳授與價值引領的統一。
鞏固應用
【5分鐘】 一、典型例題解析 （一）、出示基礎應用題：
題目：一輛質量為1.5×10 kg的汽車，在水平路面上受到2.0×10 N的牽引力作用，若忽略空氣阻力和滾動摩擦，求汽車的加速度。
引導學生按步驟解題：
1. 明確研究對象：汽車；
2. 受力分析：豎直方向重力與支持力平衡，水平方向僅受牽引力F=2000N；
3. 應用牛頓第二定律：F = ma → a = F/m = 2000 / 1500 = 1.33 m/s ；
4. 回答：汽車的加速度為1.33 m/s ，方向與牽引力相同。
強調單位統一與方向說明的重要性。
二、變式訓練啟發 （一）、提出進階問題：
“如果路面存在恒定阻力f=500N，其他條件不變，加速度又是多少？”
引導學生重新進行受力分析，得出合外力F_net = F - f = 1500N，再代入公式計算a = 1.0 m/s 。
小結：“可見，真正決定加速度的是合外力，而非某個單一力。” 1. 獨立完成例題計算。
2. 理解受力分析的關鍵作用。
3. 掌握應用F=ma的基本步驟。
4. 思考合外力的含義。
評價任務 公式應用：☆☆☆
受力分析：☆☆☆
結果正確：☆☆☆
設計意圖 通過階梯式例題設計，先鞏固基本公式應用，再引入合外力概念，逐步提升思維難度。強調解題規范流程：對象→受力→列式→求解→作答。變式訓練突出“合外力”的核心地位，防止學生誤認為任意一個力都能直接代入公式。實現從實驗歸納到實際應用的知識遷移。
作業設計
一、基礎鞏固題
1. 質量為2kg的物體靜止在光滑水平面上，受到6N的水平恒力作用，求：(1) 物體的加速度；(2) 3秒末的速度；(3) 第3秒內的位移。
2. 一輛自行車和騎手總質量為80kg，以4m/s的速度勻速前進。若剎車時受到的阻力為160N，求剎車后2秒內的位移。
二、實驗反思題
3. 在“探究加速度與力、質量的關系”實驗中：
（1）為什么要平衡摩擦力？如果不平衡，會對a-F圖像造成什么影響？
（2）為什么要求鉤碼質量遠小于小車質量？若不滿足此條件，實驗結果會偏大還是偏小？
三、拓展提升題
4. 閱讀材料：火箭發射時，燃料燃燒噴出高速氣體，產生巨大推力。已知某火箭起飛質量為200噸，發動機推力為3.0×10 N，空氣阻力約為1.0×10 N，求火箭剛離地時的加速度。（g取10m/s ）
【答案解析】
一、基礎鞏固題
1. (1) a = F/m = 6/2 = 3 m/s ；(2) v = at = 3×3 = 9 m/s；(3) 第3秒內位移 x = v t + at = (6)(1) + (3)(1) = 6 + 1.5 = 7.5m。
2. a = F/m = 160/80 = 2 m/s （減速），剎車時間 t = v/a = 4/2 = 2s，恰好停下，位移 x = vt - at = 4×2 - ×2×4 = 8 - 4 = 4m。
二、實驗反思題
3. (1) 平衡摩擦力是為了使細繩拉力等于小車所受合外力。若不平衡，a-F圖像不過原點，F軸上有截距。
(2) 因為鉤碼也有加速度，其重力大于細繩拉力。若不滿足，則拉力測量值偏大，導致a-F圖像斜率偏大。
三、拓展提升題
4. 合外力 F_net = 推力 - 阻力 - 重力 = 3.0×10 - 1.0×10 - 2.0×10 ×10 = 3.0×10 - 1.0×10 - 2.0×10 = 9.0×10 N；
a = F_net / m = 9.0×10 / 2.0×10 = 4.5 m/s 。
板書設計
§4.3 牛頓第二定律
【左側】實驗探究：
控制變量法 →
1. m不變：a ∝ F → a-F圖像過原點直線
2. F不變：a ∝ 1/m → a-1/m圖像過原點直線
a ∝ F/m F = kma F = ma（k=1）
【中部】定律內容：
加速度a與合外力F成正比，
與質量m成反比，方向同F。
【右側】公式三性：
同體性：F、m、a屬同一物體
矢量性：a與F同向
瞬時性：F變則a立即變
【底部】應用步驟：
選對象 → 析受力 → 列方程 → 求解 → 作答
教學反思
成功之處
1. 以生活視頻導入有效激發興趣，問題鏈設計層層遞進，成功引導學生進入探究狀態。
2. 實驗環節組織有序，學生動手參與度高，多數小組能獨立完成數據采集與初步分析，體現了“做中學”的理念。
3. 圖像法處理數據的教學策略得當，學生通過a-1/m圖像直觀理解反比關系，突破了傳統教學中難以說清的難點。
不足之處
1. 部分小組在平衡摩擦力操作上耗時較長，影響整體進度，今后應提前錄制微視頻供課前預習。
2. 對于“瞬時性”的理解仍顯抽象，僅有少數學生能舉例說明，需增加更多動態情境模擬。
3. 課堂最后的應用環節略顯倉促，個別學生未能完成變式題目的思考，應適當壓縮前面講解時間。

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