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2019-2020年高中物理《牛顿第二定律》教案20 新人教版必修1

2019-2020 年高中物理《牛顿第二定律》教案 20 新人教版必修 1
一、教学目标 1.物理知识方面的要求: (1)掌握牛顿第二定律的文字内容和数学公式; (2)理解公式中各物理量的意义及相互关系; (3)知道在国际单位制中力的单位“牛顿”是怎样定义的。 2.以实验为基础,通过观察、测量、归纳得到物体的加速度跟它的质量及所受外力的 关系,进而总结出牛顿第二定律。培养学生的实验能力、概括能力和分析推理能力。 3.渗透物理学研究方法的教育。实验采用控制变量的方法对物体的 a、F、m 三个物理 量进行研究;运用列表法处理数据,使学生知道结论是如何得出的;认识到由实验归纳总结 物理规律是物理学研究的重要方法。 二、重点、难点分析 1.本节的重点内容是做好演示实验。让学生观察并读取数据,从而有说服力地归纳出 a 与 F 和 m 的关系,即可顺理成章地得出牛顿第二定律的基本关系式。因此,熟练且准确地 操作实验就是本课的关键点。同时,也只有讲清实验装置、原理和圆满地完成实验才能使学 生体会到物理学研究的方法,才能达到掌握方法、提高素质的目标。 2.牛顿第二定律的数学表达式简单完美,记住并不难。但要全面、深入理解该定律中 各物理量的意义和相互关联;牢固掌握定律的物理意义和广泛的应用前景,对学生来说是较 困难的。这一难点在本课中可通过定律的辨析和有针对性的巩固练习加以深化和突破,另外, 还有待在后续课程的学习和应用过程中去体会和理解。 三、教具 小车、木板、滑轮、钩码、投影仪。 四、主要教学过程 (一)引入新课 由牛顿第一定律可知,力是改变物体运动状态的原因。而物体运动状态的改变是物体运 动速度发生变化,即加速度不为零。因而力又是产生加速度的原因,加速度与力有关。 由牛顿第一定律还可知:一切物体总保持静止或匀速直线运动状态,这种性质叫惯性。 而质量是物体惯性大小的量度,因而加速度跟质量有关。 那么物体运动的加速度跟物体质量及受力之间存在什么样的关系?我们通过实验来探 求。 (二)教学过程设计 1.实验设计 (1)启发学生技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,要使其中一个量不变,即控制变量的方法。 (2)启发学生按如下思路得出实验原理:测定物体加速度的方法有多种,如利用打点 计时器、分析纸带等,这些方法较精确但费时→寻找一种用其它物理量直观反应加速度大小 的办法→由运动公式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。 (2)实验装置

实验彩必修本所述装置稍加改进。在图 1 中 a、b、c 三个位置加装光滑金属环以控制

线绳位置不使脱落;另外通过环 a 将两绳合并在一起可直接用手操作,以避免铁夹操作的困

难。这样虽然增大了阻力,但只需使木板稍前倾平衡摩擦力即可。木板侧面的的刻度用以读

出位移大小。

3.实验过程

(1)加速度跟力的关系

使用两个相同的小车,满足 ;在连小车的绳端分别挂一个钩码和两个钩码,使 F1=F2。 将二小车拉至同一起点处,记下位置。放手后经一段时间使二小车同时停止,满足时间 t

相同。读出二小车的位移填入表 1:(投影)

第一次

第二次

m/kg

F1/N

s/m

F//N

s//m

小车 1

0.2

0.2

0.32

0.3

0.31

小车 2

0.2

0.2

0.1

0.15

0.10

表1

改变 F 重复实验,, ,

比较可得,在误差允许的范围内,F

(2)加速度跟质量的关系

将小车 1 加上 0.2kg 砝码,使 m1=2m2;二小车前面绳端都挂一个钩码,使 F1=F2。将二 小车拉至同一起点处放开经一段时间使其同时停止,读出各小车位移记入表 2:(投影)

第一次

第二次

F/N

m/kg

s/m

m/kg

s/m

小车 1

0.1

0.4

0.15

小车 2

0.1

0.2

0.31

表2

比较可得

由得

4.定律导出

(1)由上述实验结果:F,可得出物体的加速度跟作用力成正比,跟物体的质量成反

比,即牛顿第二定律的基本关系。写成数学表达式为或 Fma

(2)上式可写为等式 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。

(3)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:。 5.定律的理解 牛顿第二定律是由物体在恒力作用下做匀加速直线运动的情形下导出的,但由力的独 立作用原理可推广到几个力作用的情况,以及应用于变力作用的某一瞬时。还应注意到定律 表述的最后一句话,即加速度与合外力的方向关系,就是说,定律具有矢量性、瞬时性和独 立性,所以掌握牛顿第二定律还要注意以下几点: (1)定律中各物理量的意义及关系 是物体(研究对象)所受的合外力,m 是研究对象的质量,如果研究对象是几个物体, 则 m 为几个物体的质量和。a 为研究对象在合力作用下产生的加速度;a 与的方向一致。 (2)定律的物理意义 从定律可看到:一物体所受合外力恒定时,加速度也恒定不变,物体做匀变速直线运 动;合外力随时间改变时,加速度也随时间改变;合外力为零时,加速度也为零,物体就处 于静止或匀速直线运动状态。 牛顿第二定律以简单的数学形式表明了运动和力的关系。 6.巩固练习 (1)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。可是我们用力 提一个很重的物体时却提不动它,这跟牛顿第二定律有无矛盾?为什么? 答:没有矛盾,由公式 F=ma 看,为合外力,无论怎样小的力都可以使物体产生加速 度,这个力应是合外力。现用力提一很重的物体时,物体仍静止,说明合外力为零。由受力 分析可知 F+N-mg=0。 (2)对一个静止的物体施加一个力,物体一定做加速运动,对吗? 答:略。理由同上。 (3)下面哪些说法不对?为什么? A.物体所受合外力越大,加速度越大。 B 物体所受合外力越大,速度越大。 C.物体在外力作用下做匀加速直线运动,当合外力逐渐减小时,物体的速度逐渐减小。 D.物体的加速度大小不变一定受恒力作用。 答:B、C、D 说法不对。根据牛顿第二定律,物体受的合外力决定了物体的加速度。而 加速度大小和速度大小无关。所以,B 说法错误。物体做匀加速运动说明加速度方向与速度 方向一致。当合外力减小但方向不变时,加速度减小但方向也不变,所以物体仍然做加速运 动,速度增加。C 说法错误。 加速度是矢量,其方向与合外力方向一致。加速度大小不变,若方向发生变化时,合 外力方向必然变化。D 说法错。 (三)课堂小结(可引导学生总结) 1.这节课以实验为依据,采用控制变量的方法进行研究。这一方法今后在电学、热学 的研究中还要用到。我们根据已掌握的知识设计实验、探索规律是物体研究的重要方法。 2.定义力的单位“牛顿”使得 k=1,得到牛顿第二定律的简单形式 F=ma。使用简捷 的数学语言表达物理规律是物理学的特征之一,但应知道它所对应的文字内容和意义。 3.牛顿第二定律概括了运动和力的关系。物体所受合外力恒定,其加速度恒定;合外 力为零,加速度为零。即合外力决定了加速度,而加速度影响着物体的运动情况。因此,牛 顿第二定律是把前两章力和物体的运动构成一个整体,其中的纽带就是加速度。 五、说明

1.本课以必修教材为依据。实验采用课文所述装置,简单直观,易得出结论。缺点是 不够精确,操作亦须谨慎,否则会出现误差较大的情形。重复实验时,也可逆向操作验证。 先确定二小车距终点位移,然后放手由同时到达终点验证,操作较容易。有条件的学校可使 用气垫导轨、光电门进行精确测量验证。
2.通过定律的探求过程,渗透物理学研究方法,是整个物理教学的重要内容和任务。 本节内容即为一典型探求过程:运用控制变量、实验归纳的方法研究三个变量的关系。这种 方法在热学中研究 p、V、T 三量关系,在电学中 U、d、E 的关系等都要用到。这是人类认识 世界的常用方法。所以本节课不只是让学生掌握牛顿第二定律,更应知道定律是如何得出的。
3.牛顿第二定律通过加速度将物体的运动和受力紧密联系,使前三章构成一个整体, 这是解决力学问题的重要工具。应使学生明确对于牛顿第二定律应深入理解、全面掌握,即 理解各物理量和公式的内涵和外延,避免重公式、转文字的现象。数学语言可以简明地表达 物理规律,使其形式完善、便于记忆,但它不能替代文字表述,更不能涵盖与它关联的运动 和力的复杂多变的情况。否则就会将活的规律变为死的公式。
2019-2020 年高中物理《牛顿第二定律》教案 21 新人教版必修 1
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:

牛顿第二定律计算简单问题

国际单位制

F=ma

“牛顿”的定义

牛顿第二定律的内容、表达式(统一性、矢量性和瞬时性)

a 与 F 成正比,与 m 成反比

控制变量法

数据处理(列表 法、作图法)

a 与 F、m 均有关

实验方案的评价、 选择和实验装置

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:

类型

讲授学习型

探究学习型

目的

积累知识

开发创造力

教 师

方 法
目 的

教授知识 教懂学生

启发研究 激发才能









学习知识

研究知识

目 的

了解知识

体验过程

1





2

3

在已有知识范畴内 培养记忆模仿 解决同类问题

超越已有知识范畴 培养发现独创 发明创造

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:

m/g

F/N

S/cm

小车甲

250

20

80

小车乙

250

10

40

分析总结:F1/F2=2/1 a∝F

s1=a1t2/2

s2=a2t2/2

a1/a2 =s1/s2 =2/1 a1/a2 =F1/F2 ,即

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:

m/g

F/N

S/cm

小车甲

500

20

39

小车乙

250

20

80

分析总结:m1/m2=2/1 a1/a2=m2/m1 ,
即 a∝1/m.

s1=a1t2/2 s2=a2t2/2

a1/a2=1/2

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=Δ V/Δ t?加速度到底取决于什么?

经过讨论,学生认识到 a=Δ V/Δ t 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。




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