高中物理人教版 (新课标)必修13 牛顿第二定律教案及反思

必修1.4.3教案牛顿第二定律

浙江省苍南中学  金加团

教学任务分析

1.牛顿运动定律是经典力学的基础。牛顿第二定律则是牛顿运动定律的精髓。它是中学物理的重点和难点之一。学生学好牛顿第二定律对整个物理课程的学习都非常重要。因此，牛顿第二定律的规律探求过程和定律中各物理量的对应关系成为本节课的教学重点。物理学是建立在实验基础上的一门自然科学，让学生亲自动手实验，探究物理规律，一方面可以树立科学精神，加强科学素养，另一方面也是重要物理原理或规律课教学的解决方法之一。这节课采用学生分组实验，自主探究牛顿第二定律的教学模式。

2.从力、加速度、质量的定性认识到设计实验探索关系，以及实验方法（控制变量法）的选择是这一节的难点。用实验来探究牛顿第二定律的可行方案教多，学生肯定会提出不同的探究方案，通过不同方案的对比评价，最后筛选确定教材中提供的实验方案（该方案操作简单，不必测量时间，形象生动，能激发学生兴趣）。这样，一方面突破了难点，另一方面可以调动学生的积极性，肯定学生的创造性。这节课实验中涉及到绳拉小车的力等于挂在绳上砝码的重力（包括砝码盘），这是有条件的，是连接体问题，在课堂上不进行讨论，布置小课题让学生课外研究。这既是对课堂学习的有益补充，也是学生拓展思维，开展研究性学习的较好方式。以下是这节课教学任务的结构图：

教学目标

1.设计方案，操作实验，归纳物体的加速度和外力的关系；物体的加速度和质量的关系。

2.叙述力的国际单位——“牛顿”的定义。

3.建立物体的加速度与外力、质量的关系——牛顿第二定律。

4.阐述牛顿第二定律的物理意义，解决简单的动力学问题。

教学设计思想

课堂教学必须充分发挥学生地主体作用和教师地主导作用；让学生充分体验获得知识的全过程；教师应给予学生较大思维的空间和时间，培养他们的创新精神和实践能力。本节课为了让学生主动参与教学活动过程中来，在得到知识的同时发展解决问题的方法和策略，独立思考的认知技能和实践操作能力。对于牛顿第二定律的建立选择了探究式教学，与传统的讲授式教学相比具有明显的优势。下表为“讲授学习型”和“探究学习型”课堂教学模式的对比：

对于牛顿第二定律物理意义的理解这一环节的教学设计充分发挥教师的主导作用，设置了几个具有思维梯度的问题让学生讨论，层层递进，以达成教学目标。这一方面体现了课堂教学双主体思想，一方面也体现了少讲多学的教育理念。

教学准备

实验仪器（质量相同的小车两个、附定滑轮的水平板一个、砝码盘一个、夹子一个、细绳两根、砝码若干）八组和辅助课件

教学过程设计

（一）引入新课

同学们大多都玩过滑板车吧，想一想当时玩的情景，用一只脚向后蹬地，滑板车就会前进。试想一下启动时脚蹬地的力不同，启动快慢也会不同；同理身背重物时启动与空身启动，启动快慢也不同。提示：启动快慢就是速度变化快慢即加速度，同学讨论出滑板车的加速度与哪些因素有关。（情景体验）

根据以上讨论知道：物体运动状态改变时产生加速度，而产生的加速度又和物体的质量及所受力的大小有关，那么：加速度跟物体所受力的大小及物体质量之间有什么关系呢？本节课我们就来研究这个问题。

（二）新课教学

演示1：轨道上的小车在细绳的牵引下做加速运动， 细绳跨过定滑轮挂一托盘，并在托盘中加砝码。

演示2：在小车上放置钩码重新演示。

演示3：将小车上的钩码移到托盘上，再次演示。

学生带问题分小组讨论：

（1）观察到什么现象？（2）三次现象有何区别？（3）你能从中得到什么结论。请学生汇报讨论结果，定性得出a与F、a与m之间的关系。（a随F的增大而增大，a随m的增大而减小。）

经过以上活动和思考师生共同形成[问题1]a与F、m到底存在怎样的关系呢？（鼓励学生大胆猜想）应如何对三者之间的关系进行研究呢？

启发学生结合演示实验按如下思路得出实验方法：对于一个物体(使m不变)，不受力时加速度为零→受力后加速度不为零→受力越大则加速度越大。用同样的力(使F不变)作用于不同物体→质量小的易被拉动→质量越小加速度越大。就是说，在研究三个变量的关系时，应使其中一个量不变，即控制变量的方法。教师指出控制变量法是研究多个变量之间关系的一种重要方法，在以后的学习中还会经常用到。

请学生设计实验方案探究a与F、a与m的关系，由学生提出[问题2]一个完整实验方案应包括几个方面的内容？

教师帮助学生回忆以前做过的实验，激活旧知识。得到实验方案基本要素为：目的、原理、方法、器材、步骤、数据处理、结论，并根据不同的探究内容，以上各项的阐述侧重点有所不同。

让学生分组充分讨论，书写方案。教师汇总各组的讨论结果，汇总方式可以是小组代表发言，可以是书面材料实物投影，然后师生共同进行评价。

典型方案一：控制变量利用打点计时器分析纸带测算加速度（该方案既〈必修+选修〉版教材中第三册的学生实验“验证牛顿第二定律”。试验修订本中已删去）评价中着重分析图象法处理数据。

典型方案二：控制变量对比分析（见下文叙述）

思路：方案一利用打点计时器分析纸带测算加速度较精确但费时→寻找一种用其它物理量直观反应加速度大小的办法→由运动学公式s= at2/2 可知在相同时间内位移与加速度成正比。我们的实验就是由两个小车在相同时间内的位移来反映加速度大小跟力和质量的关系。比较方案一和方案二,发现方案二实验过程简单,易于操作和数据处理。将学生分为八个小组,操作实验,合作学习,自主探究。并汇报结论。（以下实验过程由学生完成，教师巡视教室，参与指导。表格设计由课件辅助展示。）

实验装置：

取两个质量相同的小车,放在光滑水平板上,绳的另一端跨过定滑轮,各挂一个盘,盘里分别放着数目不等的砝码,使两个小车在拉力作用下做加速运动.拉力大小可以认为等于砝码（包括砝码盘）的重量。小车质量和力的大小,可以通过增、减砝码来改变,车的后端也分别系上绳,用一只夹子夹住两根细绳,用以同时控制两辆小车,使他们同时运动和停止。如图1和2。数据处理采用列表法。

实验分两步进行：

⑴研究质量一定（控制变量方法）,加速度和力的关系.

列表记录数据：

分析总结：F1/F2=2/1　　 s1=a1t2/2　　 s2=a2t2/2　　 a1/a2 =s1/s2 =2/1　 a1/a2 =F1/F2 ,即a∝F

⑵研究力一定（控制变量方法）,加速度与质量的关系.

列表记录数据：

分析总结：m1/m2=2/1       s1=a1t2/2 s2=a2t2/2　　      a1/a2=1/2　      a1/a2=m2/m1  ，

即a∝1/m.

整理学生的汇报结果，根据上述实验结果我们得到了：物体的加速度跟作用力成正比，跟物体质量成反比。这就是著名的牛顿第二定律。用公式表示为 a∝F/m  F∝ma。若改写为等式，应乘一系数k，则F=kma。式中k为比例常数。如果公式中的物理量选择合适的单位，就可以使k＝1，则公式更为简单。

在国际单位制中，力的单位是牛顿。牛顿这个单位就是根据牛顿第二定律来定义的：使质量是1kg的物体产生1m/s2的加速度的力为1N，即1N＝1kg·m/s2。可见，如果都用国际单位制中的单位，就可以使k=1，那么公式则简化为F=ma，这就是牛顿第二定律的数学公式。

[问题3]如何认识a=ΔV/Δt？加速度到底取决于什么？

经过讨论，学生认识到a=ΔV/Δt是加速度的定义式，但加速度取决于F/m 的值。这样可以将新旧知识进行联系。提示：高中阶段将接触到许多物理量的定义式和决定式，如电阻R，电容C等。

[问题4] 一物体同时受到几个力的作用，加速度会怎样？

经过讨论，学生认识到：当物体受到几个力的作用时，牛顿第二定律也是正确的，不过这时F代表的是物体所受外力的合力。牛顿第二定律更一般的表述是：

物体的加速度跟所受的外力的合力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。数学公式是:F合＝ma。定律具有统一性、矢量性和瞬时性：

统一性：即公式F=ma中的合力F，质量m，加速度a，都必须对应于同一研究对象，F是作用于被研究物体上的合外力；m是被研究物体质量，当被研究对象是由连接体组成的系统时，而m则是系统中各物体质量的总和；a为被研究物体（或系统）在合外力的作用下所产生的加速度。这就是公式中三个物理量的统一性。布置课外研究小课题：实验原理中“拉力大小可以认为等于砝码（包括砝码盘）的重量”，你对此有何看法？

矢量性：即公式F=ma是矢量式。公式中的加速度a和合外力F均为矢量，且二者的方向总是相同的。

瞬时性：F与ａ之间存在的瞬时性。物体的加速度是由于物体受到不为零的合外力F的作用而产生的，对于任意时刻，公式F＝ma都成立。当物体受到不为零的合外力Ｆ的作用时立刻产生加速度a；当F变化时，a也随之变化，F恒定时，a也恒定。不要错误地认为，物体一旦在合外力的作用下产生了加速度，物体就永远会以这个加速度运动。

[问题5]从牛顿第二定律知道，无论怎样小的力都可以使物体产生加速度。可是一只蚂蚁推不动一块砖，这跟牛顿第二定律有无矛盾？为什么？

    经过讨论，教师追问：如果砖放在理想的光滑水平面上，小蚂蚁能推动吗？蚂蚁应站在什么地方去推砖块？如果两者都处在光滑的水平面上，蚂蚁用力推砖会有什么结果？

牛顿第二定律的应用：在光滑的水平面上用10N的水平恒力，拉一个质量为2kg的木块，从静止开始运动，求：木块2s末的速度与2秒内的位移。

（三）课堂小结

1.实验探究与科学精神。

2.控制变量法。

    3.牛顿第二定律的物理意义。

（四）布置作业

    1.练习二（3）（4）（7）（8）

2.课外研究问题。