牛顿第二定律研究性实验设计
泉港一中 何伯辉
新课程理念的理解
新课程标准中，注重了整个实验方案(包括原理、装置、器材选择、实验步骤和数据处理等)的设计。实验设计是在一些特定的要求和条件下，自行设计和实验，灵活运用知识和技能，进行的创新性思维和实践活动。实验设计能全面培养学生综合运用所学知识的能力、收集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力、语言文字表达能力以及团结协作的能力。因此新课教学中以实验设计为载体，培养学生的创新能力。这给我们物理教师如何进行物理实验教学提出了一个新的课题。
高一共同必修模块“物理1”力学实验的重点应放在牛顿第二定律的实验设计上。 实验设计的基本思路：实验设计的关键在于实验目的的把握，难点在于实验原理的设计，它是进行实验的依据和起点，它决定了应选用（或还需）哪些实验器材，应测量哪些物理量，如何编排实验步骤。
学情分析
在学习这一内容之前，所教的学生已经掌握了力、质量、加速度、惯性等概念；知道质量是惯性的量度、力是改变物体运动状态的原因；会分析物体的受力。已具备一定的实验操作技能，会用打点计时器研究匀变速直线运动；学生对物理学的研究方法已有一定的了解，在自主学习、合作探究等方面的能力有了一定提高，有将自己的见解与他人交流的愿望，具有团队精神。
教学重点和难点
教学重点：
①．知道决定物体加速度的因素。
②．加速度与力和质量的关系的探究过程。
教学难点：
①．引导学生在猜想的基础上进行实验设计，提出可行的实验方案
教学目标
1．知识与技能目标：
①．让学生明确物体的加速度只力与和质量有关，并通过实验探究它们之间的定量关系； ②．培养学生获取知识和设计实验的能力；
2．过程与方法目标：
①．让学生体会探究过程
②．在探究过程中，渗透科学研究方法（控制变量法、实验归纳法、图象法等）； 3．情感、态度、价值观目标：
①．通过学生之间的讨论、交流与协作探究，培养团队合作精神。
②．让学生在探究过程中体验解决问题的成功喜悦，增进学习物理的情感。 教材处理与教学策略
在教材处理上把牛顿第二定律分为两个学时。第一学时主要的任务是：为探究加速度与力、质量的关系做知识上的准备；第二学时主要的任务是：建立牛顿第二定律并进行初步的应用。
教学过程
（一）引入新课
1．复习提问：
物体运动状态变化的快慢用什么物理量来描述？
答：运动状态就是速度，运动状态变化的快慢就是速度变化的快慢，所以物体运动状态
变化的快慢用加速度a来描述，运动状态变化的快则加速度大，运动状态变化的慢则加速度小。
2．提出猜想
物体的加速度与哪些因素有关呢？请同学猜一猜．
其实很多时候我们让学生猜想时，大家往往是瞎猜一气，比较盲目，这就失去了猜想的意义，我们需要的是科学的猜想，是有一定依据的猜想．
物体的加速度与哪些因素有关呢?举两个生活中的例子请同学们从生活经验出发提出自己的猜想，看看是不是心里更有底。
★体操运动员与相扑运动员身材的差别。（轻灵，笨重）
★战斗机返场时是否打开降落伞有什么差别？（V-T图像）
预测学生有代表性的回答可能有以下几方面：（教师在学生分析的过程中板书归纳。）
①．与物体质量有关：质量越小，加速度就越大。
②．与物体受到的外力有关：力越大，加速度越大。
我们的猜想是否正确呢，需要用实验来检验．我们这节课就是要设计一个探究α与F、m定量关系的实验。
（二）进行新课
探究α与F、m的定量关系
1．确定实验方法
教师：要探究α与F、m的定量关系，这里有三个变量，我们应该采用什么样的物理方法来研究a与F、m的定量关系呢？
预测 学生的分析可能如下：采用控制变量法
分两步进行研究：
①．保持研究对象的质量m一定时，研究加速度a和合外力F的关系；
②．保持研究对象受到的合外力F一定时，研究加速度a和质量m的关系。
然后综合两次的研究结果，进行推理和归纳，便可找出a与m、F三者之间存在的关系。 说明 初中阶段学生曾多次应用过控制变量法。如果学生回答有误，教师启发学生回忆：研究电流与电压和电阻这三者关系所采用的方法。
2．设计实验方案
①实验目的 ②实验原理 ③仪器选择 ④操作控制
⑤数据记录 ⑥数据处理 ⑦实验结论 ⑧误差分析
3、创设物理情境
问题：要研究加速度就必须使小车作匀加速直线运动，如何让小车做匀加速直线运动？ 答：在小车上拴一根细线，细线通过定滑轮挂一个小桶，小桶拉着小车做匀加速直线运动。
（如果用手拉小车，力的大小会变化，较难控制，不易使小车做匀加速运动）（可行性）
4、物理量测量(a、m、F)
① 如何测小车的加速度？
答：用打点计时器测加速度，
② 如何测小车的质量，如何改变小车的质量，
答：用天平测质量，通过增减小车上的砝码来改变小车的质量，
③ 如何测小车所受的拉力？如何改变小车所受的拉力？
答：测出小桶与小桶中砝码的质量m，把小桶与小桶中砝码的总重力mg当作小车受到的
拉力F，改变小桶内的重物来改变小车受到的拉力（等效替代）
④ 小车受到细线的拉力F和小桶与小桶中砝码的总重力mg的大小关系？
答：只有在重物的质量m远小于小车的质量M时，才可近似认为重物所受的重力等于小车
的拉力，即：拉力F≈mg。（如果细线的拉力F等于小桶与小桶中砝码的总重力mg，那么小车做的就是匀速直线运动而不是匀加速直线运动）（简单比精确重要）
⑤ 小车的加速度仅仅是细线的拉力产生的吗？
答：小车的加速度是小车受到的合外力产生的，是所有外力作用的结果。
⑥ 根据我们前二章学习的知识，如何得到合外力？
答：用力的合成和分解得到合外力，但这种方法不容易。
⑦ 能不能让绳子的拉力成为合外力？如果能，该怎么做
答：让绳子的拉力以外的力合力为零，则绳子的拉力就是合外力。（提出平衡摩擦力的概念） ⑧ 是否已经平衡摩擦力，判断标准是什么？
答：将木板无滑轮的一端稍微垫高一些，用重力的分力来抵消摩擦力，直到小车不挂重物时能匀速运动为止，通过纸带上点的分布来判断
5、设计数据表格（标题、横行、纵栏和数字资料）
数据表格的结构主要是由标题、横行、纵栏和数字资料三部分构成。请同学们动手设计两个表格：一个是质量M一定时，加速度a和合外力F的关系，另一个是合外力F一定时，加速度a和质量M的关系。
（1）质量M一定时，加速度a和合外力F的关系
6、如何进行数据处理
教学反思
本实验是高中力学中最复杂的实验。我们尝试在教材处理上把牛顿第二定律分为两个学时。第一学时主要的任务是：为探究加速度与力、质量的关系做理论上的准备；第二学时主要的任务是：探究牛顿第二定律（加速度与力、质量的关系）。不同于以前老师灌输牛顿第二定律给学生，然后学生做验证性实验的常规做法，本课教学中以实验设计为载体，将验证牛顿第二定律改成探究牛顿第二定律，把探究牛顿第二定律的机会还给学生，将验证牛顿第二定律改成探究牛顿第二定律。
物理实验设计能培养学生对实验目的,仪器、装置、步骤和操作方法等进行规划的能力。它具有较强的综合性、创造性和灵活性等。学生除了具备一定的物理知识和实验技能外,还需要掌握各种科学方法。如观察、测量、记录、归纳整理资料、分析对比异同、抽象概括结论等。通过实验设计,可以充分发挥学生的聪明才智,让学生运用自己所学知识,创造性地构思、设计解决问题。是培养学生创新能力的一条重要途径。
牛顿第二定律研究性实验设计
泉港一中 何伯辉
新课程理念的理解
新课程标准中，注重了整个实验方案(包括原理、装置、器材选择、实验步骤和数据处理等)的设计。实验设计是在一些特定的要求和条件下，自行设计和实验，灵活运用知识和技能，进行的创新性思维和实践活动。实验设计能全面培养学生综合运用所学知识的能力、收集和处理信息的能力、分析和解决问题的能力、语言文字表达能力以及团结协作的能力。因此新课教学中以实验设计为载体，培养学生的创新能力。这给我们物理教师如何进行物理实验教学提出了一个新的课题。
高一共同必修模块“物理1”力学实验的重点应放在牛顿第二定律的实验设计上。 实验设计的基本思路：实验设计的关键在于实验目的的把握，难点在于实验原理的设计，它是进行实验的依据和起点，它决定了应选用（或还需）哪些实验器材，应测量哪些物理量，如何编排实验步骤。
学情分析
在学习这一内容之前，所教的学生已经掌握了力、质量、加速度、惯性等概念；知道质量是惯性的量度、力是改变物体运动状态的原因；会分析物体的受力。已具备一定的实验操作技能，会用打点计时器研究匀变速直线运动；学生对物理学的研究方法已有一定的了解，在自主学习、合作探究等方面的能力有了一定提高，有将自己的见解与他人交流的愿望，具有团队精神。
教学重点和难点
教学重点：
①．知道决定物体加速度的因素。
②．加速度与力和质量的关系的探究过程。
教学难点：
①．引导学生在猜想的基础上进行实验设计，提出可行的实验方案
教学目标
1．知识与技能目标：
①．让学生明确物体的加速度只力与和质量有关，并通过实验探究它们之间的定量关系； ②．培养学生获取知识和设计实验的能力；
2．过程与方法目标：
①．让学生体会探究过程
②．在探究过程中，渗透科学研究方法（控制变量法、实验归纳法、图象法等）； 3．情感、态度、价值观目标：
①．通过学生之间的讨论、交流与协作探究，培养团队合作精神。
②．让学生在探究过程中体验解决问题的成功喜悦，增进学习物理的情感。 教材处理与教学策略
在教材处理上把牛顿第二定律分为两个学时。第一学时主要的任务是：为探究加速度与力、质量的关系做知识上的准备；第二学时主要的任务是：建立牛顿第二定律并进行初步的应用。
教学过程
（一）引入新课
1．复习提问：
物体运动状态变化的快慢用什么物理量来描述？
答：运动状态就是速度，运动状态变化的快慢就是速度变化的快慢，所以物体运动状态
变化的快慢用加速度a来描述，运动状态变化的快则加速度大，运动状态变化的慢则加速度小。
2．提出猜想
物体的加速度与哪些因素有关呢？请同学猜一猜．
其实很多时候我们让学生猜想时，大家往往是瞎猜一气，比较盲目，这就失去了猜想的意义，我们需要的是科学的猜想，是有一定依据的猜想．
物体的加速度与哪些因素有关呢?举两个生活中的例子请同学们从生活经验出发提出自己的猜想，看看是不是心里更有底。
★体操运动员与相扑运动员身材的差别。（轻灵，笨重）
★战斗机返场时是否打开降落伞有什么差别？（V-T图像）
预测学生有代表性的回答可能有以下几方面：（教师在学生分析的过程中板书归纳。）
①．与物体质量有关：质量越小，加速度就越大。
②．与物体受到的外力有关：力越大，加速度越大。
我们的猜想是否正确呢，需要用实验来检验．我们这节课就是要设计一个探究α与F、m定量关系的实验。
（二）进行新课
探究α与F、m的定量关系
1．确定实验方法
教师：要探究α与F、m的定量关系，这里有三个变量，我们应该采用什么样的物理方法来研究a与F、m的定量关系呢？
预测 学生的分析可能如下：采用控制变量法
分两步进行研究：
①．保持研究对象的质量m一定时，研究加速度a和合外力F的关系；
②．保持研究对象受到的合外力F一定时，研究加速度a和质量m的关系。
然后综合两次的研究结果，进行推理和归纳，便可找出a与m、F三者之间存在的关系。 说明 初中阶段学生曾多次应用过控制变量法。如果学生回答有误，教师启发学生回忆：研究电流与电压和电阻这三者关系所采用的方法。
2．设计实验方案
①实验目的 ②实验原理 ③仪器选择 ④操作控制
⑤数据记录 ⑥数据处理 ⑦实验结论 ⑧误差分析
3、创设物理情境
问题：要研究加速度就必须使小车作匀加速直线运动，如何让小车做匀加速直线运动？ 答：在小车上拴一根细线，细线通过定滑轮挂一个小桶，小桶拉着小车做匀加速直线运动。
（如果用手拉小车，力的大小会变化，较难控制，不易使小车做匀加速运动）（可行性）
4、物理量测量(a、m、F)
① 如何测小车的加速度？
答：用打点计时器测加速度，
② 如何测小车的质量，如何改变小车的质量，
答：用天平测质量，通过增减小车上的砝码来改变小车的质量，
③ 如何测小车所受的拉力？如何改变小车所受的拉力？
答：测出小桶与小桶中砝码的质量m，把小桶与小桶中砝码的总重力mg当作小车受到的
拉力F，改变小桶内的重物来改变小车受到的拉力（等效替代）
④ 小车受到细线的拉力F和小桶与小桶中砝码的总重力mg的大小关系？
答：只有在重物的质量m远小于小车的质量M时，才可近似认为重物所受的重力等于小车
的拉力，即：拉力F≈mg。（如果细线的拉力F等于小桶与小桶中砝码的总重力mg，那么小车做的就是匀速直线运动而不是匀加速直线运动）（简单比精确重要）
⑤ 小车的加速度仅仅是细线的拉力产生的吗？
答：小车的加速度是小车受到的合外力产生的，是所有外力作用的结果。
⑥ 根据我们前二章学习的知识，如何得到合外力？
答：用力的合成和分解得到合外力，但这种方法不容易。
⑦ 能不能让绳子的拉力成为合外力？如果能，该怎么做
答：让绳子的拉力以外的力合力为零，则绳子的拉力就是合外力。（提出平衡摩擦力的概念） ⑧ 是否已经平衡摩擦力，判断标准是什么？
答：将木板无滑轮的一端稍微垫高一些，用重力的分力来抵消摩擦力，直到小车不挂重物时能匀速运动为止，通过纸带上点的分布来判断
5、设计数据表格（标题、横行、纵栏和数字资料）
数据表格的结构主要是由标题、横行、纵栏和数字资料三部分构成。请同学们动手设计两个表格：一个是质量M一定时，加速度a和合外力F的关系，另一个是合外力F一定时，加速度a和质量M的关系。
（1）质量M一定时，加速度a和合外力F的关系
6、如何进行数据处理
教学反思
本实验是高中力学中最复杂的实验。我们尝试在教材处理上把牛顿第二定律分为两个学时。第一学时主要的任务是：为探究加速度与力、质量的关系做理论上的准备；第二学时主要的任务是：探究牛顿第二定律（加速度与力、质量的关系）。不同于以前老师灌输牛顿第二定律给学生，然后学生做验证性实验的常规做法，本课教学中以实验设计为载体，将验证牛顿第二定律改成探究牛顿第二定律，把探究牛顿第二定律的机会还给学生，将验证牛顿第二定律改成探究牛顿第二定律。
物理实验设计能培养学生对实验目的,仪器、装置、步骤和操作方法等进行规划的能力。它具有较强的综合性、创造性和灵活性等。学生除了具备一定的物理知识和实验技能外,还需要掌握各种科学方法。如观察、测量、记录、归纳整理资料、分析对比异同、抽象概括结论等。通过实验设计,可以充分发挥学生的聪明才智,让学生运用自己所学知识,创造性地构思、设计解决问题。是培养学生创新能力的一条重要途径。