4.2 实验：探究加速度与力、质量的关系 课时教案（表格式）2025--2026年人教版【新教材】（2019）高中物理必修第一册

4.2《实验：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 人教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
本节内容位于人教版高中物理必修第一册第四章第二节，是牛顿第二定律学习前的关键实验基础。教材通过设计控制变量法的实验，引导学生探究加速度与合外力、质量之间的定量关系，为后续建立牛顿第二定律的数学表达式提供实验依据。本实验不仅是力学核心知识的支撑点，更是高中物理中首次系统开展定量实验探究的重要载体，具有承上启下的作用。
学情分析
高一学生已掌握位移、速度、加速度等基本概念，具备初步的受力分析能力，但对“加速度由什么决定”仍停留在定性认知层面。学生刚接触打点计时器，实验操作技能尚不熟练，数据处理能力较弱。其身心特点表现为好奇心强但注意力易分散，合作意识初步形成但分工协作有待引导。主要学习障碍在于如何设计控制变量的实验方案、理解“小车所受拉力近似等于砂桶重力”的条件。突破措施是通过情境驱动、分步引导与小组协作，降低认知梯度，强化实验思维训练。
课时教学目标
物理观念
1. 理解加速度是描述速度变化快慢的物理量，明确其矢量性；掌握加速度与合外力成正比、与质量成反比的定性规律，并能用公式 a = F/m 初步解释生活中的加速现象。
2. 建立“控制变量法”在物理实验中的基本模型，理解实验中如何通过控制一个变量不变来研究另外两个变量之间的关系。
科学思维
1. 能够基于实验目的设计合理的实验方案，分析实验装置的改进思路（如平衡摩擦力），提升模型建构与科学推理能力。
2. 学会利用图像法处理实验数据，从 a-F 图像和 a-1/m 图像中归纳物理规律，发展数据处理与规律提炼的科学思维方法。
科学探究
1. 能正确安装实验装置，熟练操作打点计时器，采集纸带上的点迹信息，计算不同条件下的加速度值。
2. 在小组合作中完成实验操作、数据记录与初步分析，体验完整的科学探究过程，提升实验设计与动手实践能力。
科学态度与责任
1. 在实验过程中养成实事求是的科学态度，尊重实验数据，勇于修正错误假设，培养严谨求实的科学精神。
2. 认识到物理规律来源于实验探究，体会科学家探索自然规律的艰辛与智慧，增强对物理学的兴趣与责任感。
教学重点、难点
重点
1. 掌握控制变量法的基本思想及其在本实验中的具体应用。
2. 通过实验数据分析，得出加速度与合外力成正比、与质量成反比的定量关系。
难点
1. 理解实验中“砂和砂桶的总重力近似等于小车所受合外力”的前提条件，掌握平衡摩擦力的操作方法。
2. 准确测量加速度并绘制 a-F 和 a-1/m 图像，从图像中科学地得出实验结论。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法、实验法
教具准备
轨道、小车、打点计时器、纸带、复写纸、细线、砝码、砂桶、天平、刻度尺、多媒体课件
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入
【5分钟】 一、创设生活情境，激发探究欲望 （一）、播放视频引入课题
教师播放一段视频：同一辆小车在光滑水平面上，分别挂一个砂桶和挂三个砂桶时的启动过程。引导学生观察并提问：“为什么挂三个砂桶的小车启动得更快？这说明了什么？”学生回答后，教师继续追问：“如果换一辆更重的小车，同样的拉力下，它的加速度会怎样？”通过这两个问题，引导学生初步感知加速度可能与拉力大小和小车质量有关。
（二）、提出核心问题，明确探究方向
教师总结学生的回答，指出：“加速度究竟如何随外力和质量变化？是简单的正比还是反比？我们需要通过实验来寻找答案。”接着展示本节课的标题《实验：探究加速度与力、质量的关系》，并强调：“今天我们将化身小小物理学家，亲手设计并完成这个经典实验，揭开加速度背后的秘密。”
（三）、回顾已有知识，搭建思维桥梁
教师引导学生回忆：“我们已经知道加速度的定义式是什么？”学生回答 a = Δv/Δt 后，教师补充：“但这个公式只能计算加速度，不能告诉我们加速度是由什么决定的。就像苹果为什么会落地？光速为什么不变？这些都需要通过实验去发现背后的规律。”引用伽利略的话：“自然之书是用数学语言写成的。”激励学生用实验和数据去读懂这本自然之书。 1. 观看视频，思考并回答问题。
2. 回忆加速度的定义式。
3. 明确实验探究的目标。
4. 激发参与实验的兴趣。
评价任务 观察能力：☆☆☆
问题意识：☆☆☆
知识迁移：☆☆☆
设计意图 通过贴近生活的视频情境引发认知冲突，激发学生探究动机；以问题链引导学生从定性感知走向定量探究；回顾旧知建立新旧知识联系，为实验设计奠定基础；引用科学名言提升课堂文化品位，营造科学探究氛围。
方案设计
【8分钟】 一、引导学生设计实验方案 （一）、提出驱动性问题，引导模型构建
教师提问：“我们要研究三个物理量之间的关系——加速度 a、合外力 F、质量 m，直接同时研究三者太复杂，该怎么办？”引导学生回忆初中化学中研究反应速率与浓度、温度关系的方法，启发学生说出“控制变量法”。教师肯定并板书“控制变量法”，然后进一步提问：“具体怎么控制？先研究哪两个量的关系？”
学生讨论后得出两种方案：① 控制小车质量 m 不变，改变拉力 F，测量对应的加速度 a；② 控制拉力 F 不变，改变小车质量 m，测量对应的加速度 a。教师对此表示赞许，并说明本节课将分两步完成这两个探究。
（二）、分析实验装置，突破难点前置
教师展示实验装置图（含轨道、小车、打点计时器、细线、砂桶），提问：“小车受到的合外力就是砂桶的重力吗？”引发学生思考。有学生可能回答“是”，也有学生意识到还有摩擦力。教师顺势引导：“如果轨道水平，小车运动时会受到滑动摩擦力，那么合外力就不是砂桶重力了。”接着提出解决方案：“我们能不能想办法让摩擦力‘消失’？”引导学生想到“倾斜轨道，让重力沿斜面的分力平衡摩擦力”。教师演示调节轨道倾角，轻推小车使其匀速下滑，说明此时摩擦力已被平衡，小车所受合外力即为细线拉力。
（三）、明确拉力近似条件，建立理想模型
教师继续提问：“细线拉力等于砂桶重力吗？”引导学生进行受力分析：当小车加速时，砂桶也在向下加速，因此细线拉力 T < m_桶g。只有当砂桶质量远小于小车质量时，T ≈ m_桶g 才成立。教师强调：“实验中我们必须满足 m_砂桶 << m_小车，这样才能用砂桶重力近似代表小车所受合外力。” 1. 讨论并提出控制变量法。
2. 分析实验装置的受力情况。
3. 理解平衡摩擦力的必要性。
4. 明确拉力近似的适用条件。
评价任务 方法选择：☆☆☆
原理理解：☆☆☆
模型建构：☆☆☆
设计意图 通过层层递进的问题链，引导学生主动建构实验方案，培养科学思维；提前揭示实验关键难点（平衡摩擦力、拉力近似），避免学生在操作中盲目试错；通过受力分析深化对“合外力”概念的理解，体现物理学科的严谨性。
实验操作
【15分钟】 一、分组实验，动手探究 （一）、布置任务，明确分工
教师将学生分为若干实验小组（每组4人），发放实验记录表。说明实验分为两个部分：第一部分保持小车质量不变（如 m = 400g），依次增加砂桶中砂的质量（如 10g、20g、30g、40g、50g），记录每次对应的纸带；第二部分保持砂桶总质量不变（如 30g），在小车上添加砝码改变其总质量（如 400g、500g、600g、700g、800g），记录纸带。强调每次更换条件后都要重新平衡摩擦力或确认已平衡。
（二）、指导操作，规范流程
教师巡视各组，重点指导以下操作细节：① 打点计时器使用交流电源，先通电再释放小车；② 纸带穿过限位孔，与小车连接牢固；③ 释放小车前，小车应靠近打点计时器；④ 每次实验结束后及时关闭电源；⑤ 取下纸带，标注实验条件（如 m=400g, F=0.3N）。
（三）、示范数据处理，统一标准
教师选取一条典型纸带进行投影演示：“如何从纸带上求加速度？”引导学生回忆“逐差法”：若纸带上有连续六个点 A、B、C、D、E、F，时间间隔均为 T=0.1s，则 a = (s_DE + s_EF - s_AB - s_BC)/(4T )。教师现场计算示例，并提醒学生注意单位统一（力用N，质量用kg，加速度用m/s ）。
二、动态调控，应对生成 （一）、纠正常见错误
发现某组未平衡摩擦力导致纸带点迹不均匀，教师及时介入：“你们的小车启动困难吗？看看点迹间距是不是越来越小？”引导学生发现问题，并协助重新调节轨道倾角。对于拉力计算错误的小组，提醒他们检查砂桶质量是否远小于小车质量。
（二）、鼓励创新尝试
有小组提出“能否用手机慢动作拍摄小车运动来测加速度？”教师给予肯定：“这是数字化实验的好思路！课后可以尝试用Tracker软件分析视频。”鼓励学生拓展实验手段。 1. 小组分工合作完成实验。
2. 正确安装并操作实验器材。
3. 采集纸带数据并标注信息。
4. 初步计算加速度值。
评价任务 操作规范：☆☆☆
数据真实：☆☆☆
合作有效：☆☆☆
设计意图 通过分组实验落实探究实践，培养学生动手能力和团队协作精神；教师巡视指导确保实验安全与数据有效性；示范数据处理方法统一计算标准，减少误差；及时纠正错误体现教学机智，鼓励创新激发学生科学热情。
数据分析
【10分钟】 一、引导学生处理数据，绘制图像 （一）、组织数据汇总，构建分析平台
教师邀请各小组代表将实验数据填写到黑板上的汇总表格中。第一部分数据列包括：F(N)、a(m/s )；第二部分数据列包括：m(kg)、a(m/s )、1/m(kg )。确保数据完整后，教师提问：“我们如何直观地看出 a 与 F 的关系？a 与 m 的关系？”引导学生想到“画图像”。
（二）、指导绘图方法，强调科学规范
教师强调图像绘制要点：① 用坐标纸或绘图软件；② 横纵轴标明物理量及单位；③ 选择合适的标度；④ 描点要准确；⑤ 画出最能反映数据趋势的直线或曲线。然后指导学生分别绘制 a-F 图像和 a-1/m 图像。
（三）、引导图像分析，归纳实验规律
当学生完成绘图后，教师提问：“a-F 图像是一条过原点的直线吗？说明什么？”学生回答“说明 a 与 F 成正比。”教师追问：“为什么理论上应过原点？如果不过原点可能是什么原因？”引导学生反思摩擦力未完全平衡等问题。
接着分析 a-1/m 图像：“a 与 1/m 的关系图像也是过原点的直线，说明 a 与 m 成反比。”教师总结：“综合两个实验，我们得出结论：物体的加速度与所受合外力成正比，与物体的质量成反比。”并板书公式 a ∝ F/m，即 a = kF/m，其中 k 为比例系数。
二、联系理论，引出牛顿第二定律 （一）、建立单位制联系
教师说明：“在国际单位制中，当 F 的单位为 N，m 的单位为 kg，a 的单位为 m/s 时，比例系数 k = 1，因此 a = F/m，即 F = ma。”引出下一节将要学习的牛顿第二定律。
（二）、评价实验误差
教师引导学生讨论误差来源：① 摩擦力未完全平衡；② 砂桶质量未远小于小车质量；③ 打点计时器打点不均匀；④ 测量长度和时间的读数误差等。 1. 整理实验数据。
2. 绘制 a-F 和 a-1/m 图像。
3. 分析图像得出结论。
4. 理解误差来源。
评价任务 图像准确：☆☆☆
结论正确：☆☆☆
误差分析：☆☆☆
设计意图 通过图像法将抽象数据可视化，培养学生科学的数据处理能力；引导学生从图像中自主归纳物理规律，提升科学推理素养；联系单位制自然引出牛顿第二定律，实现知识的无缝衔接；开展误差分析，培养学生批判性思维和实事求是的科学态度。
总结升华
【7分钟】 一、结构化总结核心知识 （一）、回顾实验全过程
教师带领学生回顾实验流程：“我们从生活现象出发，提出问题→采用控制变量法设计实验→搭建装置并平衡摩擦力→采集纸带数据→用逐差法计算加速度→绘制 a-F 和 a-1/m 图像→最终得出加速度与力、质量的关系。”强调这一过程正是科学研究的经典范式。
（二）、提炼物理思想方法
教师指出：“本节课不仅学到了 a ∝ F/m 的规律，更重要的是掌握了‘控制变量法’这一科学方法，以及‘图像法处理数据’这一重要技能。这些方法不仅适用于物理，也广泛应用于化学、生物乃至社会科学研究中。”
二、升华情感态度价值观 （一）、讲述科学史话
教师讲述：“三百多年前，牛顿正是在大量实验和前人研究的基础上，提出了第二定律。他没有停留在‘苹果落地’的表面现象，而是深入追问‘为什么’，最终建立了经典力学体系。正如爱因斯坦所说：‘提出一个问题往往比解决一个问题更重要。’”
（二）、激励学生勇于探索
教师深情总结：“今天你们亲手重现了这一伟大发现的过程。每一条纸带上的点迹，都是你们探索自然奥秘的脚步；每一个数据，都是你们向真理靠近的见证。希望你们保持这份好奇心与求真精神，在未来的学习中，敢于质疑，勤于探究，用实验和思考去揭开更多未知的面纱。记住：你不是在做题，你是在读懂宇宙的语言。” 1. 回顾实验步骤。
2. 理解科学方法的重要性。
3. 感受科学探索的意义。
4. 树立科学探究信心。
评价任务 知识掌握：☆☆☆
方法理解：☆☆☆
情感认同：☆☆☆
设计意图 通过结构化回顾帮助学生构建完整的知识体系；提炼科学方法实现能力迁移；融入科学史教育增强学科人文底蕴；以富有诗意的语言激励学生，实现情感、态度与价值观的升华，让物理课堂不仅有理性之光，更有精神之火。
作业设计
一、实验报告撰写
1. 请根据课堂实验数据，完整填写实验报告，包括实验目的、实验原理、实验器材、实验步骤、数据记录表、a-F 和 a-1/m 图像（可手绘或打印）、实验结论及误差分析。
2. 思考题：若实验中未平衡摩擦力，a-F 图像会是什么形状？若砂桶质量过大，会对实验结果造成怎样的影响？
二、拓展应用练习
1. 质量为 2kg 的物体在水平面上运动，受到 6N 的水平拉力，若地面光滑，求其加速度；若地面动摩擦因数为 0.1，求其加速度。（g取10m/s ）
2. 某汽车质量为 1200kg，启动时在 3600N 的牵引力作用下获得加速度，若要使加速度提高到原来的 1.5 倍，牵引力应增加到多少？（假设阻力不变）
3. 查阅资料，了解“气垫导轨”如何进一步减小摩擦力，提升本实验的精度，并简要说明其工作原理。
【答案解析】
一、实验报告撰写
1. 实验报告应包含完整要素，图像清晰，结论正确表述为：在质量一定时，加速度与合外力成正比；在合外力一定时，加速度与质量成反比。
2. 若未平衡摩擦力，a-F 图像为不过原点的直线（有截距）；若砂桶质量过大，则拉力测量值偏大，导致 a-F 图像斜率偏大，实验结果偏高。
二、拓展应用练习
1. 光滑时：a = F/m = 6/2 = 3 m/s ；有摩擦时：f = μmg = 0.1×2×10 = 2N，F_合 = 6 - 2 = 4N，a = 4/2 = 2 m/s 。
2. 由 F = ma 得 a = F/m = 3600/1200 = 3 m/s ，a' = 1.5×3 = 4.5 m/s ，F' = ma' = 1200×4.5 = 5400N。
3. 气垫导轨通过向轨道表面喷出空气，使滑块悬浮在气膜上，极大减小接触摩擦，从而更接近理想无摩擦环境，提高实验精度。
板书设计
《实验：探究加速度与力、质量的关系》
【左侧】实验目的：
→ 探究 a 与 F、m 的定量关系
【中部】实验方法：
→ 控制变量法
　　1. m 不变 → 改变 F → 测 a
　　2. F 不变 → 改变 m → 测 a
【右侧】实验结论：
→ a ∝ F （m 一定）
→ a ∝ 1/m （F 一定）
→ 公式：a = F/m → F = ma
【底部】关键操作：
→ 平衡摩擦力：轻推匀速
→ 拉力近似：m_砂桶 << m_小车
→ 数据处理：逐差法、图像法
教学反思
成功之处
1. 以生活视频导入有效激发学生兴趣，问题链设计层层深入，引导学生主动参与方案构建。
2. 实验组织有序，学生动手积极性高，多数小组能规范操作并获得有效数据，合作探究氛围浓厚。
3. 图像法分析数据效果显著，学生能从图像中直观得出正比、反比关系，科学思维得到有效训练。
不足之处
1. 部分小组对“平衡摩擦力”操作不够熟练，导致数据偏差较大，需在后续实验中加强示范与个别指导。
2. 时间分配略显紧张，数据分析环节部分学生未能完成图像绘制，可考虑将数据处理部分延伸至课后。
3. 对实验误差的讨论不够深入，部分学生仅停留在表面原因，缺乏对系统误差与偶然误差的区分意识。