第三章

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牛頓第二定律一、教課任務剖析牛頓第二定律是繼牛頓第必定律后定量研究物體的加快度與遇到的外力及物體的質量間的關系。牛頓第二定律內容是本章的要點，也是整個經(jīng)典力學的基礎和核心之一，同時也為此后學習機械能、周期運動等知識確立基礎。學習牛頓第二定律需要以靜力學和運動學等知識為基礎。從滑板車實驗下手，使學生定性地認識：物體的加快度與作使勁有關，與物體自己的質量有關。在DIS實驗設計過程中，以“小車”為研究對象，議論諸如應當控制的是哪些變量、如何控制這些變量、怎樣丈量小車遇到的牽引力和怎樣測定小車的加快度等問題，以及怎樣根據(jù)實驗數(shù)據(jù)采納物理圖像的方法來剖析研究實驗的結論。而后DIS經(jīng)過實驗，歸納出物體的加快度與遇到的作使勁及物體質量之間的定量關系，得出牛頓第二定律的一般表達式。經(jīng)過定義力的單位“牛頓”，得出牛頓第二定律的表達式。經(jīng)過簡單的實例訓練，穩(wěn)固所學知識。在DIS實驗過程中，使學生體驗“科學猜想”、“控制變量”方法，在數(shù)據(jù)辦理過程中，感覺“歸納推理”等多種物理學研究方法，培育學生察看剖析、比較判斷、歸納總結及辦理實質問題的能力。二、教課目的1．知識與技術知道物體的加快度與遇到的外力F及與物體的質量ｍ間的關系，理解力是產生加快度的原由，知道物理定律的含義。理解加快度方向與合外力方向間的關系，理解加快度大小、質量大小和外力大小間的關系。知道在國際單位制中力的單位“牛頓“是怎樣定義的。能依據(jù)現(xiàn)有器械設計實驗方案，經(jīng)過實驗及數(shù)據(jù)辦理，學會有關的實驗技術。2．過程與方法經(jīng)過DIS實驗對F、m、a三個物理量進行研究，感覺實驗研究物理規(guī)律的基本過程，領會控制變量的研究方法。在對實驗數(shù)據(jù)辦理過程中，感覺用圖像研究物理問題的科學方法，認識由實驗歸納到總結物理規(guī)律是研究物理學的基本方法。3．感情、態(tài)度與價值觀在研究力、質量、加快度三者關系的過程中，建立仔細的科學態(tài)度，腳踏實地的道德質量，謹慎、有序的思想習慣。經(jīng)過DIS實驗操作過程，養(yǎng)成合作意識和樂觀向上的質量。三、教課要點與難點要點：研究并理解牛頓第二定律。難點：怎樣應用DIS進行實驗設計。四、教課資源1、物理實驗：(1)演示實驗：定性研究加快度與力、質量間關系：滑板車（兩只）、DIS實驗器械（包含：力傳感器、電腦、數(shù)據(jù)收集器等）。學生實驗：定量研究加快度與力、質量間關系：小車、長木板、小桶、砝碼、細線、DIS實驗器械（包含：運動傳感器、電腦、數(shù)據(jù)收集器等）。2、信息化平臺：多人一機的網(wǎng)絡教室、文件管理展現(xiàn)平臺。說明：①如有其余情形，實驗器械可依據(jù)需要增減。②也可利用一些教課圖片或生動的案例來說明加快度與力、質量間的關系。如：“神舟六號”發(fā)射過程需要很大的推力、為何蘋果熟了落向地球，而不是地球落向蘋果？等等。五、教課方案思路本設計包含加快度與力的關系、加快度與質量的關系、力的單位“牛頓”的定義三部分內容。本設計的基本思路是：從滑板車實驗下手，在指引學生定性歸納出加快度與作使勁、質量有關的基礎上，以“小車”為研究對象，經(jīng)過DIS實驗研究三者間定量關系，在規(guī)定了力的單位后，再指引學生總結出牛頓第二定律的一般表達式。本設計要打破的要點是：加快度與作使勁、質量三者間定量關系。方法是：經(jīng)過DIS實驗，采納“控制變量”法，分別研究加快度與作使勁、加快度與質量間關系，應用物理圖像對實驗數(shù)據(jù)進行剖析議論。本設計要打破的難點是：怎樣應用DIS進行實驗設計。方法是：在經(jīng)過實驗，認識加快度與作使勁、質量之間定性關系的基礎上，經(jīng)過對DIS實驗要點步驟的議論來打破難點。DIS實驗的要點步驟包含：以“小車”為研究對象，有哪些“變量”、怎樣控制“變量”進行實驗，以及怎樣經(jīng)過對物理圖像的剖析研究得出實驗的結論等。本設計重申問題議論、DIS實驗研究、教師指導等多種教課策略的應用，重申經(jīng)過學生主動參加，培育學生實驗、比較判斷、歸納歸納的能力，使學生學會運用電腦剖析和辦理數(shù)據(jù)，掌握用物理圖像研究物理問題的一些基本思路和方法，使之感覺“實驗研究”、“歸納總結”等科學方法，提升研究學習的興趣。達成本設計的內容約需2課時。六、教課流程：1、教課流程圖2．流程圖說明活動Ia與F情形滑板車，設問1滑板實驗1的大小問題活動Ⅰ情形滑板實驗1一個同學站在車上，用不一樣的力推墻壁（力的大小經(jīng)過DIS力傳感器讀出），看滑滑板車設問2板車（連同學生）受不一樣大小活的動外II力作用時滑出距離間關系?；鍖嶒?a與物活動Ⅱ滑板實驗3體的m二個質量不一樣的同學分別站在兩個滑板車上互推，看滑板車（連同學生）受相同大小的外力作用時滑出距離間關系。經(jīng)過學生察看滑板車實驗剖析加快度與力及質量間定性關系。活動III說明：滑板車實驗中人遇到墻壁的作使勁實質上在人走開墻壁時就不再作用在人身學生研究上了，所以此實驗中滑板車此后的運動其實是靠慣性行進的。墻對人的力越大，在△活動V控制牛頓第t時間（人與墻壁接觸的時間）內車產生的加快度也越大，獲取的速度也就越大，所以變量二定律簡單應用（因很難找到連續(xù)作用的車就滑的越遠，所以此實驗不是直接的、連續(xù)的力作用在車上活動IV力的情形，所以只能用瞬時力來取代），用的是代替法。這樣可為下邊的學生實驗用小學生研究桶及內部的物體的重力代替小車的拉力作鋪墊?；顒英髮W生研究實驗1DIS實驗，控制變量物體質量必定，定量研究加快度a與力F間關系。m活動Ⅳ學生研究實驗2DIS實驗，控制變量力F必定，定量研究加快度a與物體質量m間關系。而后應用DIS對研究實驗1、2所獲取的實驗數(shù)據(jù)，進行圖像辦理，再經(jīng)過對圖像的剖析、歸納，總結出牛頓第二定律。說明：假如用DIS實驗辦理數(shù)據(jù)的，可先不講均衡阻力，介紹完器械后讓學生直接控制變量開始實驗，得出圖像后再指引學生剖析圖像的斜率、截距、圖線的曲折問題等，這樣辦理對學生剖析問題能力的提升很有利。假如用傳統(tǒng)的實驗器械，要先指引學生剖析怎樣辦理阻力問題？怎樣判斷阻力已被均衡？是否是每改變一次F或ｍ，都要從頭均衡阻力？活動Ⅴ簡單應用經(jīng)過簡單的實例，穩(wěn)固所學知識。3、教課主要環(huán)節(jié)本設計采納情形——活動——問題——歸納——應用的模式組織教學，整個教課過程可分為三個主要的教課環(huán)節(jié)：第一環(huán)節(jié)，經(jīng)過情形和學生參加的演示實驗，定性獲取影響加快度大小的要素。第二環(huán)節(jié)，經(jīng)過DIS實驗，定量獲取a與、之間的關系，并經(jīng)過歸納總結，得出牛mF頓第二定律。第三環(huán)節(jié)，經(jīng)過簡單的實例，穩(wěn)固所學知識。七、教課方案示例1．情形引入由牛頓第必定律知道：力是改變物體運動狀態(tài)的原由，請問：運動狀態(tài)的改變指什么物理量的改變？（生：速度）由運動學我們知道速度改變會產生加快度，那么影響加快度的要素有哪些呢？讓學生總結影響加快度的要素是：外力F、物體的質量ｍ。加快度與F、ｍ間究竟有什么關系？（這兒能夠先讓學生猜想一下，提升學生的興趣，而后再做實驗）下邊我們用實驗來研究它們間的關系。學生開始滑板車實驗：1）預先將DIS實驗中的力傳感器拿在手上，讓同學甲第一次用較小的力推墻壁，電腦屏幕上顯示力的數(shù)值，甲同學滑出必定距離s1；第二次用較鼎力推墻壁，甲同學滑出必定距離s2，s2≠s1。2）讓甲、乙兩個質量不等的同學分別站在同一型號的滑板車（保證車與地面間的動摩擦要素相同）上互推，他們遇到的推力等大，看它們分別滑出的距離s1和s2，s2≠s1。經(jīng)過實驗使學生認識到：加快度與物體所受的外力和物體的質量都有關，并且加快度只與力和質量兩個要素有關。2、導入新課老師利用上述滑板車實驗，指引學生思慮：怎樣研究三個物理量間的關系？會有學生知道叫控制變量法，若不知道，教師只能啟迪、舉例說明等。也可能會有學生說先讓一個量不變，研究另二個物理量間的關系，若這樣說了，教師可直接說明：物理上把這類方法叫控制變量法，它是物理研究中常常采納的一種科學方法。再啟迪學生：怎樣測定物體的加快度？學生會說出學過的方法，如：1）用新教材的同學會說用DIS實驗器械中的運動傳感器；2）用老教材的同學會說用打點計時器。（3）利用s＝1at2，比較位移。（還可能有其余方法，只需行即可。）23、實驗研究先介紹桌子上的實驗器械，指出今日實驗的研究對象是小車。讓學生思慮怎樣給小車一個恒定的拉力？利用現(xiàn)有器械設計實驗步驟；學生利用DIS實驗系統(tǒng)著手實驗，收集數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)辦理（依據(jù)實驗數(shù)據(jù)由電腦繪出有關物理量的圖線：a與F的關系，a與ｍ的關系）。剖析圖像時可抓住以下幾點：①曲為直：將a－m圖變換成a1圖議論。m②象可是坐標原點，剖析截距的意義，說明是何原由惹起的？③實驗時沒有考慮小車質量與小桶質量間的關系，獲取的圖像會在上部發(fā)生曲折，教師可先定性地指引學生剖析，等牛頓第二定律公式出來后再議論。實驗結論①質量必定的狀況下，加快度a與作使勁F成正比，寫作：②在作使勁F必定的狀況下，加快度a與物體質量ｍ成反比，寫作：由此總結出牛頓第二定律：物體的加快度跟作使勁成正比，跟物體的質量成反比，用公式表示為：aF改寫為等式：F＝kma。此中k為比率常數(shù)，由公Fmam式中各物理量的單位選用有關。說明

k＝1的意義：使質量為

1kg的物體產生

1m/s2加快度的力為

1N時，k＝1。所以牛頓第二定律的表達式為：

F

＝

ma（6）公式的物理意義教師可從公式的矢量性、剎時性、F是合外力等幾個方面加以說明，加深學生對公式的理解。①力是使物體產生加快度的原由。加快度和力存在著這樣的關系：有力作用就有加快度產生，恒定的力產生恒定的加快度，力發(fā)生變化，加快度隨即發(fā)生相應的變化，力停止作用，加快度立刻等于零，并且不論在哪一種狀況下，加快度和產生它的力的方向一直是一致的。②物體運動的加快度不單決定于外力，還同時跟物體的質量有關。在這里，質量的大小對運動狀態(tài)改變的快慢程度起了一種限制作用。穩(wěn)固練習題1從牛頓第二定律可知，不論多么小的力都能夠使物體產生加快度。但是我們使勁提一個較重的物體時卻可能提不動它，這跟牛頓第二定律有無矛盾？為何？解答：沒有矛盾，由公式F＝ma可知，F(xiàn)為合外力，這個力不論多小都能夠使物體產生加快度。此刻使勁提這個較重的物體沒有提動它，說明物體仍靜止，物體所受的合外力為零，所以物體的加快度也為零。題2有關牛頓第二定律的以下說法中不正確的選項是（A）A、由mF，可知運動物體的質量與外力成正比，與加