《实验：探究加速度与力、质量的关系》教学设计

《实验：探究加速度与力、质量的关系》教学设计
　　【教学目的】
（1）通过对物理情景的思考，学生发现影响物体加速度的因素，体会用控制变量研究物理问题的物理方法。
（2）经历实验方案的优化过程，提高综合运用数学知识解决实际问题的能力。
（3）经历实验操作、数据分析、评估的过程，体会利用图像寻找物理量之间的关系的方法。

　　【教学重点】
　　实验方案的优化、学生经历实验过程。

　　【教学方法】
　　情景问题引导法。

　　【设计思路】
　　这是一个很好的能体现科学探究要素的教学案例，要让学生体验科学探究的过程，认识物理实验和数学工具在物理学发展过程中的作用。本设计首先通过演示实验，让学生分析现象，提出问题，通过师生、生生的交流评估，优化实验方案，在学生的充分的实验活动的基础上，共享探究的成果。

　　【教学流程图】
　　演示实验，提出问题设计、评估实验方案学生进行实验共享实验结果。

　　【教学课时】两节课，本设计为第一课时。

　　【教学过程】
　　一、研究问题的提出：
　　实验演示：如图1，轻推小车，演示小车沿着斜面匀速下滑。

　　问题：小车做什么运动？如何判断？
　　问题：小车为什么做匀速运动？请分析受力，寻找原因。
　　板书：Mg（sinβ－μcosβ）=0 μ=tanβ
　　实验演示：增加倾角 ，演示小车做加速运动。
　　问题：刚才小车做匀速运动，现在为什么小车加速了？问题：请分析受力，寻找原因。
　　板书：F=Mg（sinθ－μcosθ） ，改变θ，改变外力。
　　实验演示：演示倾角θ不断增加时，小车的运动情况。
　　问题：请描述看到什么现象？由此你能得到什么结论？
　　板书：我们发现：物体所受的合力越大，其加速度越大。
　　老师引导：物体的加速度是否只与合外力有关呢？
　　信息快递：一辆小汽车起步时，在10s内速度能达到100Km/h， 而一列火车要达到100Km/h，大约需要500s，为什么两者的加速度会相差这么大呢？──a还与M有关。
　　老师引导：物体的加速度与合外力及物体的质量都有关系，如何研究呢？
　　师生总结：控制变量法：（1）质量一定，a与F的关系。

　　（2）外力一定，a与M的关系
　　板书：探究加速度与力、质量的定量关系
　　本堂课探究课题：1．质量不变时，合力与加速度的定量关系
　　老师引导：质量不变，a与F的可能有怎样的定量关系呢？
　　学生猜想：可能成正比。
　　老师引导：如果测量到多组a与F的数值，如何验证猜想的正确性？
　　学生回答：画出a与F图像。
　　设计意图：该处通过演示小车匀速、加速、加速度不断增加的现象，让同学直观的看到力在改变物体运动中的作用，并发现力与加速度的定性规律，提出本堂课的研究课题。同时通过对旧知识的复习，为新知的学习寻找好增长点，为学生主动实现知识在新情景中的迁移创造条件。

　　二、师、生相互的讨论，确定实验步骤。

　　老师引导：刚才从斜面上下车的下滑得到了合力与加速度的定性关系，如果从该实验做进一步的定量研究，如何测量出小车的合力与加速度，请说出实验步骤？

　　学生汇报的实验方案：
　　（1）如图2，利用匀速测量出动摩擦因数：μ=tanβ。
　　（2）如图2，让小车直接从斜面上滑下，测量出斜面倾斜角θ。计算出小车的合外力。
　　F=Mg（sinθ－μcosθ）
　　（3）用纸带法测量小车相应加速度a。

　　老师引导：如图2，如果没有量角器，只有刻度尺，能否测出合力呢？

　　学生回答：F=Mg（sinθ－μcosθ）

　　 = Mg（－×）= Mg×AD/AB= Mg×AD （AB=1米）

　　老师引导：Mg不变（本实验为2N）、AB不变（1米），改变角度，只要测量AD，就能得到合外力。如图，3，BD点是小车匀速下滑时，斜面的位置，可以加一块垫板记录下来，A点是斜面的末端，AD是竖直高度，可以直接由毫米刻度尺读出AD的数值。


　　师生总结优化后的实验方案：

　　（1）调匀速，垫板记录该BD的位置

　　（2）改变倾角，毫米刻度尺记录AD，AD也可以由三角斜边上的刻度直接读出来。

　　（3）用纸带法测量小车相应加速度a

Mg= 2N AB=1M
实验次数 AD（m） F= Mg×AD/ AB a
1 0．05 F
2 0．1 2F
3 0．15 3F
4 0．20 4F
5 0．25 5F

　　设计意图：师生优化实验方案，是一个相互学习、相互提高的过程，通过这样一个互动过程，不但实验原理更清楚，更使学生认识到：一个好的实验设计，不但原理要正确，而且要简便易行，因此实验的优化就显得特别重要。

　　三、进行实验，收集实验数据，并独立进行数据处理。

　　四、共享实验成果

　　下面展示一组同学的实验结果：


　　设计意图：一个好的实验设计，一定要留足时间，让同学进行实践，学生动手实验过程，是实验探究的重要环节。实验探究绝不能纸上谈兵。该实验设计，绝大部分同学的实验，误差很小，耗时短，实验结果非常完美。激发了同学的学习热情。

　　教学的体会与反思：

　　（1）为什么不用课书上的实验？如何处理课书上的实验？

　　用哪个实验并不重要，但关键是是否能得到较准确的实验结果，多年来，书上的实验并不能得到准确的实验结果，误差在10%左右，老师用误差范围内来搪塞是很勉强的。笔者认为，书上的实验，等学完牛顿第二定律后，做验证性实验处理，容易进行误差控制与分析。

　　（2）是否每个实验方案都要由学生来设计？

　　笔者认为，如果学生根本没有相应的知识、能力，就应该跳过该环节。本实验如让学生设计，难度太大，还会强化错误的观点。如：认为绳子的拉力与所挂重物的重力相等的错误观点。笔者的教学设计，将实验设计隐藏在情景创设与发现问题的过程中，跳过了实验设计的环节，将教学的重点放在数据的测量、实验过程的优化上，特别是学生经历了实验过程，自己得到了实验的规律。同时应看到：用笔者的方案其实也谈不上有什么实验设计，这是学生已经很熟悉的问题情景，前面的教学已经碰到过很多次。这儿是拿来主义。

　　（3）力的测量的数学处理，对学生是否有难度？

　　这也是很多专家担心的问题。笔者与部分数学基础较差的同学进行个别交流，发现担心是多余的。正如讲物理难学一样，学生感到难学的不是书本上的知识不懂，而是课外题目不会做。这儿仅用了三角函数的定义式，是书本上最基础的东西，没有难度。

　　（4）本实验装置还有其他应用吗？有何优势？

　　本实验设计还可以用于探究功与动能（或速度）变化的关系、冲量与动量变化的关系的实验中。由于本实验在力的测量上，克服了课本实验的系统误差，实验数据测量的范围广，偶然误差很小，学生能得到很好的线性的图像。