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4.2《探究加速度与力、质量的关系》课时教案
学科 物理 年级册别 高一上册 共1课时
教材 教科版高中物理必修第一册 授课类型 实验探究课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于教科版高中物理必修第一册第四章第二节，是牛顿运动定律学习过程中的关键过渡环节。教材通过引导学生设计并实施实验，探究加速度与作用力、物体质量之间的定量关系，为后续建立牛顿第二定律奠定坚实的实验基础。内容结构由生活实例引入问题，提出科学猜想，再通过控制变量法设计实验方案，利用打点计时器或数字传感器测量加速度，最终归纳出a与F成正比、a与m成反比的规律。教材注重科学探究全过程的呈现，强调证据意识和数据分析能力的培养，体现了“从现象到本质”的物理思维路径。
学情分析
高一学生已掌握位移、速度、加速度等基本概念，并初步了解力的作用效果，具备一定的实验操作经验。但对“加速度”这一抽象矢量仍缺乏直观感受，难以将其与日常感知的速度变化相区分。同时，学生在设计多变量实验时容易忽视控制变量法的应用逻辑，在数据处理方面也常停留在定性描述层面。此外，部分学生动手能力较弱，面对复杂实验装置易产生畏难情绪。为此，教学中需通过真实情境激发兴趣，借助可视化手段增强感知，采用小组合作降低操作门槛，并通过任务驱动提升数据分析的规范性与科学性。
课时教学目标
物理观念
1. 理解加速度是描述物体速度变化快慢的物理量，明确其与合外力和质量之间的内在联系。
2. 初步建立牛顿第二定律的物理图景，能用a∝F/m解释简单力学现象。
科学思维
1. 经历“提出假设—设计实验—收集数据—分析结论”的完整探究过程，发展归纳推理与模型建构能力。
2. 掌握控制变量法在多因素问题研究中的应用策略，能够识别实验中的自变量、因变量与控制变量。
科学探究
1. 能独立组装实验装置，合理选择测量工具（如打点计时器、力传感器、光电门等），准确获取加速度数据。
2. 学会使用图像法处理实验数据，绘制a-F、a-1/m图像，判断物理量间的函数关系。
科学态度与责任
1. 在实验过程中保持严谨求实的态度，尊重实验数据，敢于质疑异常结果并尝试分析原因。
2. 在小组协作中主动承担任务，乐于分享发现，体会合作探究的价值与乐趣。
教学重点、难点
重点
1. 通过实验探究得出加速度与力、质量的定量关系。
2. 掌握控制变量法的设计思想及其实验操作要点。
难点
1. 准确测量物体的加速度，尤其是如何减小摩擦力带来的系统误差。
2. 对实验数据进行合理分析，特别是利用图像法揭示a与F、a与1/m的线性关系。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法
教具准备
轨道小车实验装置、打点计时器、纸带、砝码组、细绳、滑轮、天平、刻度尺、计算机与数据采集系统
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入，引发思考
【5分钟】 一、创设真实情境，激发探究欲望。 （一）、播放视频：生活中加速现象对比。
教师播放两段短视频：第一段是满载货物的重型卡车缓慢起步；第二段是空载的小轿车迅速提速。随后展示航天发射场景——巨大的推力使火箭克服地球引力缓缓升空，而子弹却能在瞬间获得极高速度。
提问引导：“同样是‘从静止开始运动’，为什么不同物体的‘启动快慢’差异如此之大？是什么因素影响了它们速度变化的快慢？”
鼓励学生结合生活经验自由发言，预设回答可能包括“车子重”“发动机力气大”“子弹轻”等关键词。
进一步追问：“我们已经知道加速度是用来描述速度变化快慢的物理量。那么，加速度到底与哪些因素有关？能否通过实验来验证我们的猜想？”
顺势引出课题：“今天我们就化身小小科学家，亲手设计实验，去揭开‘加速度背后的秘密’。”
（二）、回顾已有知识，明确探究方向。
教师板书三个核心物理量：加速度（a）、力（F）、质量（m）。
引导学生回忆前几节课的内容：“我们知道力是改变物体运动状态的原因，而加速度正是运动状态变化的体现。那么，我们可以大胆猜想：加速度可能与作用力有关，也可能与物体本身的属性——比如质量有关。”
提出科学探究的第一步：“提出假设”。邀请学生共同构建两个可验证的假设：
假设1：当物体质量一定时，加速度随作用力的增大而增大。
假设2：当作用力一定时，加速度随物体质量的增大而减小。
强调：“但这只是我们的初步猜想，真正的物理学不相信直觉，只相信证据。接下来，我们要做的就是设计实验，用数据说话！” 1. 观看视频，思考并回答问题。
2. 回忆加速度定义，参与讨论提出猜想。
3. 明确实验目的，形成探究期待。
4. 小组内交流想法，准备进入实验环节。
评价任务 表达清晰：☆☆☆
猜想合理：☆☆☆
参与积极：☆☆☆
设计意图 以贴近生活的加速现象作为切入点，唤醒学生的感性认知，激发好奇心与探究欲。通过层层递进的问题链，引导学生从现象观察走向理性思考，自然引出本课核心议题。同时，强调“证据意识”，培养学生尊重实验、崇尚科学的基本素养。
方案设计，构建模型
【10分钟】 一、引导学生设计实验方案，掌握控制变量法。 （一）、聚焦核心矛盾：如何研究多个变量的影响？
教师设问：“如果我们想同时研究加速度与力、质量的关系，三个变量一起变，还能看出规律吗？”
引导学生意识到问题的复杂性：“就像做菜时同时改变盐、糖、醋的量，根本不知道哪个味道变了是因为哪种调料。”
引入科学方法：“因此，我们必须采用一种重要的研究方法——控制变量法。即在研究两个变量关系时，保持其他变量不变。”
组织学生分组讨论：如何运用该方法分别验证两个假设？
巡视指导，帮助各组理清思路：
对于假设1（a与F的关系）：应保持小车质量m不变，改变拉力F的大小，测量对应的加速度a；
对于假设2（a与m的关系）：应保持拉力F不变，改变小车的质量m，测量对应的加速度a。
请代表小组汇报设计方案，师生共同完善。
（二）、确定实验装置与测量方法。
教师出示轨道小车实验装置实物或PPT动画演示：
介绍主要部件：光滑长木板（减少摩擦）、带滑轮支架、小车、细绳、悬挂砝码（提供拉力）、打点计时器（安装于轨道一端）、纸带（穿过打点计时器并与小车相连）。
讲解原理：悬挂砝码的重力G=mg近似等于小车所受拉力F（忽略滑轮摩擦和细绳质量），通过增减砝码改变F；小车质量可通过添加配重块调节。
重点说明加速度测量方法：
“我们将利用打点计时器在纸带上打出一系列点迹。相邻两点间的时间间隔已知（通常为0.02s），通过测量连续若干段位移，即可根据公式Δx=aT 计算加速度。”
补充现代替代方案：“也可使用力传感器直接测力，光电门配合挡光片测速，再由v-t图像斜率得a，提高精度。”
提醒注意事项：实验前需平衡摩擦力，确保小车不受拉力时能在轨道上匀速运动，从而保证绳子拉力即为合外力。 1. 参与小组讨论，理解控制变量法。
2. 设计实验步骤，明确操作流程。
3. 认识实验器材，了解其功能用途。
4. 提出疑问，完善实验细节。
评价任务 方法正确：☆☆☆
设计合理：☆☆☆
表达清楚：☆☆☆
设计意图 通过类比生活经验，帮助学生深刻理解“控制变量法”的必要性和逻辑基础。在教师引导下，学生自主完成实验设计，经历科学探究的关键环节，提升逻辑思维与工程建模能力。同时，介绍多种测量手段，拓宽视野，体现技术进步对科学研究的支持作用。
动手实践，采集数据
【15分钟】 一、分组实验，动手操作，获取原始数据。 （一）、分配任务，明确分工。
将全班分为6个实验小组，每组4人，指定组长、记录员、操作员、安全员角色。发放统一实验记录表，包含以下栏目：
表格1：探究a与F的关系（m保持不变）
实验次数 拉力F/N 纸带数据（如：连续5段位移/cm加速度a/(m/s )备注
表格2：探究a与m的关系（F保持不变）
实验次数 小车总质量m/kg纸带数据 加速度a/(m/s ) 1/m (kg )
强调实验纪律与安全规范：轻拿轻放器材，避免砝码掉落伤人，通电前检查线路。
（二）、指导学生开展第一轮实验：保持质量不变，改变拉力。
教师示范一次标准操作：
1. 调节轨道水平，连接打点计时器电源（学生电源调至6V交流档）；
2. 安装纸带，一端固定于小车尾部，穿过打点计时器限位孔；
3. 在细绳末端挂上一个砝码（如50g），记下此时F = 0.49N（注意：实际可用钩码标称值）；
4. 启动打点计时器，释放小车，待其运动至轨道末端后关闭电源；
5. 取下纸带，在清晰点迹区域选取一段进行测量，标注起点O及后续计数点A、B、C、D、E（每5个点取一个计数点，时间间隔T=0.1s）；
6. 用刻度尺测量OA、AB、BC、CD、DE的长度，填入表格；
7. 利用逐差法计算加速度：a = [(DE+CD)-(AB+OA)] / (4T )，代入数值求得a值。
各小组按此流程重复3--4次，每次增加悬挂砝码数量（如增至100g、150g、200g），保持小车自身质量不变（可预先称量并记录为0.5kg）。
教师巡回指导，重点关注：
是否正确使用逐差法；
是否有明显的拖动或卡顿现象；
纸带点迹是否清晰连贯；
及时纠正错误操作，如未先开电源再放车、测量误差过大等。
（三）、指导学生开展第二轮实验：保持拉力不变，改变质量。
更换一组砝码组合，设定恒定拉力F = 1.0N（如挂两个50g钩码）。
第一次实验使用原小车质量m = 0.5kg，测量其加速度a ；
第二次在小车上加装一个配重块（质量约0.2kg），总质量变为m = 0.7kg，再次测量加速度a ；
第三次再加一块配重，m = 0.9kg，测a ；
每次实验均重复上述操作流程，确保数据可靠性。
提醒学生同步填写1/m列，为后续作图做准备。
鼓励学生对异常数据进行复测，培养实事求是的科学态度。 1. 明确分工，协同完成实验操作。
2. 规范使用仪器，准确记录实验数据。
3. 运用逐差法计算加速度。
4. 发现问题及时沟通调整。
评价任务 操作规范：☆☆☆
数据真实：☆☆☆
合作有序：☆☆☆
设计意图 通过真实的动手实践，让学生亲历科学发现的过程，强化“实践出真知”的信念。小组合作模式既锻炼了团队协作能力，又降低了个体操作难度。教师全程跟踪指导，确保实验安全与数据有效性，同时关注学生在真实情境下的问题解决能力。
数据分析，得出结论
【10分钟】 一、组织学生处理数据，绘制图像，寻找规律。 （一）、引导学生整理数据，制作坐标图像。
教师在黑板上绘制两个空白直角坐标系：
左侧坐标系横轴标注“拉力F/N”，纵轴标注“加速度a/(m/s )”；
右侧坐标系横轴标注“质量倒数1/m (kg )”，纵轴同样为“加速度a/(m/s )”。
邀请各小组派代表上台，在对应位置描点。例如：
第一组提交的数据：F=0.49N, a=0.98m/s → 在左图描点(0.49, 0.98)
第二组：F=0.98N, a=1.96m/s → 描点(0.98, 1.96)
……
对于右图，先引导学生计算1/m值：
m=0.5kg → 1/m=2.0kg ；m=0.7kg → 1/m≈1.43kg ；m=0.9kg → 1/m≈1.11kg
然后根据测得的a值描点，如(2.0, 0.98)、(1.43, 0.70)、(1.11, 0.54)
所有小组数据汇总后，形成完整的数据云图。
（二）、引导学生观察图像特征，归纳物理规律。
提问：“请大家观察这两个图像中的点分布有什么特点？”
预设学生回答：“左边的点大致在一条过原点的直线上”“右边的点也接近一条直线”。
教师肯定回答：“非常好！这说明在实验误差允许范围内，加速度a与拉力F成正比，即a ∝ F；同时，加速度a与质量的倒数1/m成正比，也就是a ∝ 1/m。”
进一步推导：“既然a ∝ F 且 a ∝ 1/m，那么我们可以合并为 a ∝ F/m，即 a = k·F/m，其中k为比例系数。”
提问：“这个k有没有可能是某个常数？如果是，它应该具有什么单位？”
引导学生进行量纲分析：[a] = m/s , [F] = N = kg·m/s , [m] = kg [F/m] = m/s 所以k应为无量纲常数，理论上k=1。
总结：“因此，在经典力学范围内，我们有 a = F/m，这就是著名的牛顿第二定律的雏形。今天我们用自己的双手，一步步逼近了这条伟大的自然法则！” 1. 整理实验数据，计算加速度。
2. 参与描点绘图，观察数据趋势。
3. 分析图像规律，得出实验结论。
4. 理解a ∝ F 和 a ∝ 1/m 的含义。
评价任务 图像准确：☆☆☆
分析到位：☆☆☆
结论正确：☆☆☆
设计意图 通过集体绘图的方式，实现数据共享与可视化呈现，增强课堂互动性。学生在观察散点分布的过程中，自主发现线性关系，体验“从数据到规律”的科学归纳过程。教师适时点拨，引导学生完成从实验现象到物理定律的思维跃迁，实现认知升华。
课堂总结，升华主题
【5分钟】 一、回顾探究历程，提炼科学精神。 （一）、系统梳理本节课的知识脉络。
教师站在讲台中央，语气温和而坚定地说：“同学们，今天我们走过了这样一段旅程：从生活中的加速现象出发，提出了‘加速度与力、质量有关’的猜想；接着，我们学会了用‘控制变量法’拆解复杂问题；然后，大家亲手搭建装置、采集数据、处理信息；最后，我们在一张张图表中看到了自然的秩序——原来，宇宙并非混沌无序，而是遵循着简洁优美的数学法则。”
板书核心结论：
当m一定时，a ∝ F
当F一定时，a ∝ 1/m
a ∝ F/m 或 a = F/m（理想情况）
（二）、讲述伽利略故事，弘扬科学精神。
教师深情讲述：“三百多年前，伽利略也曾面临类似的挑战。他没有先进的仪器，却敢于挑战亚里士多德延续千年的权威论断。他在比萨斜塔上投下铁球，在斜面上滚动铜球，一点一点地丈量时间和距离，终于揭开了自由落体的秘密。他曾说：‘真理不在多数人的投票中，而在少数人的沉思里。’”
停顿片刻，环视全班：“今天，你们每一个人，都在重复着伽利略的工作。也许你们测得的数据不够完美，也许纸带上的点有些模糊，但重要的是——你们敢于动手、敢于质疑、敢于用证据说话。这才是真正属于科学家的精神。”
结语升华：“愿你们永远保有这份好奇与勇气，不盲从、不轻信，用自己的眼睛去看世界，用自己的头脑去思考万物运行的规律。因为，每一个小小的实验台，都是通往星辰大海的起点。” 1. 跟随教师回顾学习过程。
2. 理解实验结论的科学意义。
3. 感悟科学探究的精神价值。
4. 树立尊重事实的科学态度。
评价任务 总结完整：☆☆☆
感悟深刻：☆☆☆
情感投入：☆☆☆
设计意图 采用情景化与激励性相结合的总结方式，不仅帮助学生巩固知识结构，更将科学探究上升到精神层面。通过讲述伽利略的真实故事，传递“追求真理、勇于质疑”的科学品格，激发学生的使命感与自豪感，实现知识传授与价值引领的有机统一。
作业设计
一、基础巩固题
1. 在“探究加速度与力、质量的关系”实验中，必须采用的科学方法是__________。为了保证细绳的拉力近似等于小车所受的合外力，实验前需要进行的操作是_______________。
2. 某同学在实验中得到如下数据，请根据数据填写表格并回答问题：
实验次数拉力F/N 质量m/kg加速度a/(m/s )10.50.51.021.00.52.031.50.53.041.01.01.051.02.00.5
（1）比较第1、2、3次实验可知：当质量一定时，加速度与拉力成______比。
（2）比较第2、4、5次实验可知：当拉力一定时，加速度与质量成______比。
（3）若要验证a与1/m成正比，请补充计算第4、5次实验的1/m值：
第4次：1/m = ______ kg ；第5次：1/m = ______ kg 。
二、拓展提升题
某小组在实验中发现，即使完成了“平衡摩擦力”操作，a-F图像仍未经过原点，而是与纵轴交于正半轴。请分析可能的原因，并提出改进措施。
提示：考虑细绳是否完全水平、滑轮是否有摩擦、打点计时器阻力等因素。
三、实践延伸题
查阅资料，了解现代物理实验室中如何利用气垫导轨和数字传感器更精确地测量加速度。写一段100字左右的简介，说明其优势所在。
【答案解析】
一、基础巩固题
1. 控制变量法；平衡摩擦力（或将轨道不带滑轮的一端适当垫高，使小车能沿轨道匀速下滑）
2. （1）正；（2）反；（3）1.0；0.5
二、拓展提升题
可能原因：虽然平衡了摩擦力，但打点计时器对纸带有一定阻力，导致即使F=0时小车仍有微小加速度；或细绳未完全水平，存在竖直分力影响。
改进措施：可在小车前端额外施加一个微小反向拉力抵消阻力；检查装置水平度，确保细绳平行于轨道。
三、实践延伸题
气垫导轨通过喷出空气形成气膜，使滑块悬浮于轨道之上，极大减小了接触摩擦。配合光电门和数字计时器，可精准测量滑块通过两个位置的时间，进而计算瞬时速度和加速度。相比传统打点计时器，其精度更高、误差更小、数据自动采集，适用于高精度力学实验。
板书设计
探究加速度与力、质量的关系
【左侧板块】
一、提出问题：
→ 加速度a 与 哪些因素有关？
二、科学猜想：
1. a 与 F 有关？
2. a 与 m 有关？
三、研究方法：
控制变量法
↓
实验1：m 不变，改变 F → 测 a
实验2：F 不变，改变 m → 测 a
【中间板块】
四、实验装置示意图（简笔画）：
[轨道] — [小车] — [细绳] — [滑轮] — [钩码]
　　　　　　　↓
　　　　　打点计时器 ← 纸带
五、注意事项：
平衡摩擦力
先通电，后释放
使用逐差法计算 a
【右侧板块】
六、数据处理：
1. a-F 图像 → 过原点的直线 a ∝ F
2. a-1/m 图像 → 过原点的直线 a ∝ 1/m
七、实验结论：
a ∝ F/m
即 a = k·F/m （k ≈ 1）
牛顿第二定律雏形
教学反思
成功之处
1. 以生活现象导入，有效激发了学生的学习兴趣和探究动机，课堂氛围活跃，学生参与度高。
2. 注重科学方法渗透，通过类比讲解使“控制变量法”深入人心，学生在设计方案时表现出较强的逻辑思维能力。
3. 实验环节组织有序，小组分工明确，大多数学生能独立完成数据采集与处理，动手能力和合作意识显著提升。
不足之处
1. 部分学生在使用打点计时器时操作不够熟练，导致个别纸带点迹不清晰，影响数据准确性。
2. 时间分配略显紧张，最后的数据分析环节稍显仓促，个别小组未能充分展开讨论。
3. 对于数据偏差较大的情况，引导学生深入分析误差来源的深度还不够，部分学生仅停留在“操作失误”的表面归因。

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