4.3 牛顿第二定律 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

4.3《牛顿第二定律》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 新授课 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三节，是力学核心内容之一。在学习了牛顿第一定律和力的概念后，学生进一步探究力与运动的关系。牛顿第二定律揭示了物体加速度与合外力、质量之间的定量关系，是连接动力学与运动学的桥梁。教材通过实验探究方式引导学生发现规律，体现了“从实验出发、归纳总结”的科学思维路径。本节内容为后续学习动力学问题、连接体问题、超重失重等打下坚实基础，具有承上启下的关键作用。
学情分析
高一学生已具备初步的实验观察能力和逻辑思维能力，掌握了匀变速直线运动规律和力的基本概念，但对“加速度由力产生”这一动态关系理解尚浅。生活中常存在“力是维持运动的原因”等前概念误区，需通过实验纠正。学生数学基础较好，能进行简单的代数运算和图像分析，但在控制变量法的应用、实验误差分析方面经验不足。教学中应注重创设真实情境，引导学生动手实验、合作探究，帮助其建立“力—质量—加速度”三者间的定量认知，突破抽象思维障碍。
课时教学目标
物理观念
1. 理解牛顿第二定律的内容，掌握公式F=ma的物理意义，明确加速度方向与合外力方向的一致性。
2. 能够运用牛顿第二定律解释生活中常见的加速、减速现象，建立力与运动变化之间的因果观念。
科学思维
1. 经历“提出问题—设计实验—数据分析—得出结论”的完整探究过程，体会控制变量法在物理研究中的应用。
2. 能够通过实验数据绘制a-F、a-1/m图像，分析图像斜率与质量的关系，发展图像分析与逻辑推理能力。
科学探究
1. 能够使用打点计时器、小车、滑轮、砝码等器材设计并完成“探究加速度与力、质量关系”的实验。
2. 能够正确记录实验数据，识别并分析实验中的系统误差与偶然误差，提出改进建议。
科学态度与责任
1. 在小组实验中主动参与、分工协作，尊重他人观点，养成实事求是的科学态度。
2. 认识到牛顿第二定律在航天、交通、工程等领域的重要应用，增强将物理知识服务于社会的责任意识。
教学重点、难点
重点
1. 牛顿第二定律的内容及其表达式F=ma的理解与应用。
2. 探究加速度与合外力、质量之间关系的实验设计与数据分析。
难点
1. 理解加速度与合外力的瞬时对应关系及矢量性。
2. 实验中平衡摩擦力的操作要点及误差来源分析。
教学方法与准备
教学方法
实验探究法、情境教学法、合作学习法、讲授法
教具准备
轨道、小车、打点计器、纸带、砝码组、细绳、滑轮、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、创设真实情境，激发探究兴趣 （一）、播放视频：火箭发射升空全过程
教师播放我国长征系列运载火箭发射升空的震撼视频，画面中火焰喷涌、箭体缓缓升起、加速度逐渐增大冲向苍穹。待视频结束，教师提问：“同学们，你们是否思考过，是什么力量让如此庞大的火箭从静止开始加速升空？它的加速度大小又由哪些因素决定？”引导学生回忆之前学习的力与运动关系，鼓励大胆猜想。
（二）、提出驱动性问题，引出课题
教师继续设问：“如果我们将火箭简化为一个物体，那么它的加速度a与施加的推力F以及自身质量m之间可能存在怎样的定量关系？今天我们就化身小小科学家，通过实验来揭开这个宇宙级秘密。”随即板书课题《4.3 牛顿第二定律》，并强调这一定律不仅是火箭升空的理论基石，也是我们理解一切加速运动的核心钥匙。
（三）、回顾已有知识，搭建思维桥梁
教师引导学生回顾两个关键知识点：一是牛顿第一定律指出力是改变物体运动状态的原因，即产生加速度的原因；二是加速度是描述速度变化快慢的物理量。由此建立“力 → 加速度”的初步联系。接着提问：“既然力能产生加速度，那是不是力越大，加速度就越大？质量越大的物体，是不是越难加速？”通过层层设问，激活学生已有认知，为后续实验探究做好铺垫。 1. 观看视频，感受力与加速度的宏观表现。
2. 思考并回答教师提出的问题，进行初步猜想。
3. 回忆牛顿第一定律和加速度定义，建立知识连接。
4. 明确本节课的学习任务和探究目标。
评价任务 猜想合理：☆☆☆
表达清晰：☆☆☆
积极参与：☆☆☆
设计意图 通过火箭发射这一宏大而真实的物理情境，迅速吸引学生注意力，激发民族自豪感与探究欲望。以“加速度由什么决定”为核心问题驱动学习，使学生带着明确目标进入课堂。同时，通过回顾旧知，帮助学生构建新旧知识之间的逻辑链条，实现认知的自然过渡。
实验探究一：a与F的关系
【12分钟】 一、明确探究目标，制定实验方案 （一）、引导学生确定研究方法——控制变量法
教师提问：“我们要研究加速度a与力F、质量m三个量之间的关系，应该采用什么科学方法？”引导学生回忆初中物理中研究多变量问题的方法，得出“控制变量法”。接着明确本环节目标：保持小车质量m不变，改变拉力F，测量对应的加速度a，探究a与F的关系。教师强调实验中必须确保拉力F为小车所受的合外力，引出“如何平衡摩擦力”这一关键操作。
（二）、演示并讲解平衡摩擦力的操作步骤
教师将轨道一端垫高，使小车能在无拉力作用下沿斜面匀速下滑（可通过打点计时器打出的点迹间距相等判断）。边操作边讲解：“当我们调节斜面倾角，使得重力沿斜面的分力恰好抵消滑动摩擦力时，小车在不受拉力时做匀速运动，此时轨道已‘平衡摩擦力’。此后施加的拉力F即为小车所受合外力。”强调该步骤对实验成败至关重要。
二、组织学生分组实验，采集数据 （一）、布置实验任务，明确分工
将全班分为8个实验小组，每组配备一套实验装置。教师下发实验记录表，包含F（由悬挂砝码重力mg提供）、a（通过纸带上连续两点间距离计算）两列数据。要求每组固定小车质量（如200g），依次增加悬挂砝码质量（5g、10g、15g、20g、25g），每次释放小车，打出一条纸带，测量并计算加速度。
（二）、巡视指导，规范操作
教师在教室内巡视，重点指导：如何正确安装打点计时器、如何确保细绳与轨道平行、如何准确测量纸带上点距、如何使用Δx=aT 计算加速度。对于操作不当的小组及时纠正，如发现纸带打点不清、小车偏离轨道等问题立即协助解决。鼓励小组成员轮流操作、记录、计算，确保人人参与。 1. 理解控制变量法，明确实验目的。
2. 观察教师演示，掌握平衡摩擦力技巧。
3. 分组合作完成实验，测量并记录数据。
4. 计算不同拉力下的加速度值。
评价任务 操作规范：☆☆☆
数据真实：☆☆☆
合作有序：☆☆☆
设计意图 通过教师示范与学生实践相结合，确保学生掌握“平衡摩擦力”这一关键技能，避免因操作失误导致实验失败。分组实验促进合作学习，让学生在真实操作中体会科学探究的过程。教师的巡视指导既保障实验安全与效率，又能在第一时间发现并纠正错误，提升实验质量。
数据分析与结论一
【8分钟】 一、引导学生处理数据，绘制图像 （一）、指导学生绘制a-F图像
教师利用多媒体展示空白坐标系，横轴为F（单位：N），纵轴为a（单位：m/s ）。邀请各小组代表上台填写本组数据点，逐步形成散点图。教师提问：“这些数据点大致分布在一条什么线上？”引导学生观察发现：当质量一定时，加速度a随合外力F的增大而增大，且各点基本落在一条过原点的直线上。
（二）、分析图像特征，得出定量关系
教师进一步引导：“直线过原点说明什么？斜率代表什么物理意义？”学生讨论后得出：a∝F，即加速度与合外力成正比。教师总结：“实验表明，在质量一定的情况下，物体的加速度与其所受合外力成正比，关系式为a∝F。”板书结论，并强调“合外力”与“正比”两个关键词。
二、深化理解，辨析易错点 （一）、提出问题：力消失，加速度是否立即消失？
教师设问：“若某时刻撤去拉力F，小车的加速度会怎样？”引导学生结合牛顿第一定律思考，明确加速度与合外力具有瞬时对应关系，力变则加速度立刻改变，体现其矢量性和瞬时性。
（二）、引入单位制，铺垫公式形成
教师说明：“在国际单位制中，力的单位‘牛顿’正是根据F=ma定义的——使质量为1kg的物体产生1m/s 加速度的力为1N。”为后续公式整合提供逻辑支撑。 1. 参与数据汇总，观察a-F图像趋势。
2. 分析图像，得出a与F的正比关系。
3. 讨论加速度的瞬时性，纠正错误观念。
4. 理解牛顿单位的定义来源。
评价任务 图像准确：☆☆☆
结论正确：☆☆☆
思维深入：☆☆☆
设计意图 通过集体绘图实现数据共享，增强课堂互动性。引导学生从图像中提取物理规律，培养数据处理与图像分析能力。设置“瞬时性”问题，深化对矢量关系的理解，预防常见误区。介绍单位定义，增强公式可信度，体现物理学的严谨性与内在统一性。
实验探究二：a与m的关系
【10分钟】 一、转换研究变量，延续探究路径 （一）、提出新任务，保持拉力不变
教师宣布：“接下来我们转换思路，保持悬挂砝码质量不变（即拉力F恒定），改变小车的质量m，探究加速度a与质量m之间的关系。”提醒学生仍需确保轨道已平衡摩擦力，并检查装置稳定性。
（二）、指导学生设计实验步骤
教师引导学生讨论：“如何改变小车质量？如何保证每次实验F相同？”学生提出可在小车上添加砝码以改变总质量，保持悬挂砝码不变则拉力F不变。教师肯定方案，并强调每次更换质量后需重新确认小车能否匀速下滑，防止因质量变化影响摩擦力平衡。
二、组织学生再次实验，获取新数据 （一）、分组实施，采集多组数据
各小组保持悬挂砝码为20g（F≈0.196N），依次将小车质量调整为200g、250g、300g、350g、400g，分别打出纸带，计算对应加速度。教师继续巡视，重点关注质量改变后的轨道状态和数据记录准确性。
（二）、引导学生思考非线性关系
在学生实验过程中，教师提示：“你们发现随着质量增加，加速度是如何变化的？是不是简单的反比关系？”鼓励学生提前预测图像形状，为后续图像处理做准备。 1. 明确实验目标，理解控制变量条件。
2. 合作改变小车质量，完成多次实验。
3. 测量并计算不同质量下的加速度。
4. 初步感知a随m增大而减小的趋势。
评价任务 变量控制：☆☆☆
操作连贯：☆☆☆
数据完整：☆☆☆
设计意图 延续上一环节的探究逻辑，让学生自主迁移“控制变量法”的应用，提升科学探究能力。通过改变研究角度，培养学生多维度分析问题的思维习惯。提前设问引导学生关注非线性关系，激发其对“反比”与“反比于质量”的辨析兴趣，为图像转换做铺垫。
数据分析与结论二
【7分钟】 一、处理数据，绘制a-m与a-1/m图像 （一）、展示a-m图像，揭示非线性特征
教师将各组数据汇总，投影出a-m图像，学生观察到曲线呈下降趋势但非直线。教师提问：“这说明a与m不是正比关系，那可能是怎样的关系？”引导学生回忆数学知识，提出“可能成反比”的猜想。
（二）、引导学生进行图像线性化处理
教师进一步引导：“若a与m成反比，则a与1/m应成正比。我们不妨尝试绘制a-1/m图像。”指导学生计算各次实验的1/m值（单位kg ），重新绘制散点图。结果显示数据点基本落在一条过原点的直线上，验证了a∝1/m的猜想。
二、整合规律，建立完整定律 （一）、综合两次实验结论
教师总结：“实验表明，当合外力F一定时，加速度a与质量m成反比，即a∝1/m。”结合前一结论a∝F，利用比例合成原理，得出a∝F/m，即F∝ma。
（二）、引入比例系数，形成牛顿第二定律
教师说明：“在国际单位制下，比例系数k=1，因此我们得到F=ma。这就是伟大的牛顿第二定律。”板书公式，并逐项解释：F为物体所受合外力（N），m为物体质量（kg），a为加速度（m/s ），三者均为矢量，加速度方向与合外力方向相同。 1. 观察a-m图像，提出反比猜想。
2. 计算1/m，绘制a-1/m图像验证猜想。
3. 理解a∝F/m的合成过程。
4. 掌握F=ma的公式含义及矢量性。
评价任务 图像转换：☆☆☆
规律整合：☆☆☆
公式理解：☆☆☆
设计意图 通过图像线性化处理，教会学生一种重要的物理研究方法——将非线性关系转化为线性关系以便分析。这一过程锻炼了学生的数学建模能力。最后将两组实验结论有机整合，自然导出牛顿第二定律，使学生经历从现象到本质、从局部到整体的认知飞跃，增强知识建构的逻辑性与成就感。
课堂总结升华
【3分钟】 一、结构化回顾核心知识 （一）、系统梳理本课所学内容
教师带领学生回顾整节课的学习路径：从火箭发射的情境出发，提出问题；通过控制变量法设计实验，分别探究了a与F、a与m的关系；经数据分析得出a∝F、a∝1/m；最终整合为F=ma——牛顿第二定律。强调该定律揭示了力是产生加速度的原因，明确了加速度与合外力的瞬时性、矢量性关系。
二、升华情感，连接科学与人生 （一）、讲述牛顿的科学精神
教师深情总结：“三百多年前，艾萨克·牛顿在苹果树下思考，最终构建了经典力学的大厦。他告诉我们：‘如果说我看得比别人更远些，那是因为我站在巨人的肩膀上。’今天，我们每个人也都经历了一次小小的科学发现之旅。你们记录的数据、绘制的图像、得出的结论，正是科学精神的体现——好奇、实证、理性、协作。”
（二）、激励学生勇攀科学高峰
“牛顿第二定律不仅解释了苹果为何落地，更指引着火箭飞向星辰大海。希望同学们以今日之实验为起点，保持对世界的好奇与追问，用物理的眼光观察生活，用科学的方法解决问题。也许未来的某一天，改变世界的下一个‘F=ma’，就诞生于你们之中！” 1. 跟随教师回顾知识脉络。
2. 理解定律的科学价值与历史意义。
3. 感受科学探索的精神力量。
4. 树立学好物理的信心与志向。
评价任务 知识掌握：☆☆☆
情感共鸣：☆☆☆
志向激发：☆☆☆
设计意图 采用“结构化总结+升华式总结”相结合的方式，既帮助学生系统梳理知识框架，又通过讲述牛顿的故事和寄语未来，激发学生的科学情怀与社会责任感。结尾语富有诗意与激励性，将物理学习上升到人生追求的高度，实现知识、能力、情感的三维统一。
作业设计
一、基础巩固题
1. 质量为2kg的物体在水平面上受到6N的水平拉力作用，若地面光滑，求物体的加速度大小。
2. 一辆汽车质量为1.5×10 kg，在水平路面上由静止开始匀加速启动，加速度为2m/s ，若阻力忽略不计，求发动机提供的牵引力大小。
3. 判断下列说法是否正确，错误的请说明理由：
（1）物体受力越大，速度就越大。
（2）加速度方向一定与合外力方向相同。
（3）质量大的物体加速度一定小。
二、实验拓展题
在本次实验中，若未完全平衡摩擦力，会对a-F图像造成什么影响？若使用的细绳不与轨道平行，会对实验结果产生怎样的误差？请结合受力分析图说明。
三、生活应用题
查阅资料或观察生活，列举两个应用牛顿第二定律的实际例子（如安全带设计、跳远助跑、电梯启动等），并用F=ma简要解释其物理原理。
【答案解析】
一、基础巩固题
1. 解：由F=ma得 a = F/m = 6N / 2kg = 3m/s
2. 解：F = ma = 1.5×10 kg × 2m/s = 3×10 N
3. （1）错误。力决定加速度，不直接决定速度。如物体受力但初速度为零时，速度从零开始增加。
（2）正确。牛顿第二定律指出加速度方向与合外力方向一致。
（3）错误。加速度大小还与合外力有关。若合外力也大，加速度可能不小。
二、实验拓展题
若未平衡摩擦力，则实际合外力为拉力减去摩擦力，导致测得加速度偏小，a-F图像不过原点，截距为负。若细绳不水平，则拉力有竖直分量，影响正压力进而改变摩擦力，且水平分力小于砝码重力，导致F测量值偏大，造成系统误差。
板书设计
《牛顿第二定律》
【左侧】实验探究路径：
情境：火箭升空 → 问题：a由谁决定？
方法：控制变量法
实验1：m不变 → a∝F（a-F图像过原点直线）
实验2：F不变 → a∝1/m（a-1/m图像过原点直线）
结论整合：a∝F/m → F=ma
【中部】牛顿第二定律：
公式：F = ma
矢量性：a方向 ←→ F合方向
瞬时性：F变 → a立即变
单位：1N = 1kg·m/s
【右侧】典型应用：
例：F=6N, m=2kg → a=3m/s
生活实例：安全带防惯性伤害
教学反思
成功之处
1. 以火箭发射为情境导入，极大激发了学生的学习兴趣和民族自豪感，实现了“从生活走向物理”的课程理念。
2. 实验设计完整，学生亲历探究全过程，有效培养了科学思维与实践能力，特别是在a-1/m图像处理中体现了高阶思维训练。
3. 板书结构清晰，图文并茂，突出定律的形成过程与核心要点，有助于学生构建知识体系。
不足之处
1. 部分小组在平衡摩擦力操作上耗时较长，影响了整体实验进度，今后可提前录制微视频供学生预习。
2. 对实验误差的讨论不够深入，部分学生未能准确分析斜率偏差原因，需在后续课程中加强误差分析训练。
3. 课堂容量较大，最后总结环节略显仓促，情感升华可再延展一分钟，增强感染力。