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物理《牛頓第二定律》教學(xué)設(shè)計(jì)
一、學(xué)習(xí)任務(wù)分析
1.教材的地位和作用
牛頓第二定律是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的重要規(guī)律，它是動(dòng)力學(xué)的核心規(guī)律，也是學(xué)習(xí)其它動(dòng)力學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)。在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》共同必修模塊“物理1”中涉及本節(jié)的內(nèi)容有：“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究加速度與物體質(zhì)量、物體受力的關(guān)系，理解牛頓第二定律。”本條目要求學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究加速度、質(zhì)量、力三者的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程。
2.學(xué)習(xí)的主要任務(wù)
本節(jié)的學(xué)習(xí)任務(wù)類(lèi)型是綜合型。在知識(shí)上要求知道決定加速度的因素、理解加速度、質(zhì)量、力三者關(guān)系;在技能上要求能設(shè)計(jì)和操作實(shí)驗(yàn)，會(huì)測(cè)定相關(guān)物理量;體驗(yàn)性上要求經(jīng)歷探究活動(dòng)、嘗試解決問(wèn)題方法、體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)規(guī)律過(guò)程，體會(huì)科學(xué)研究方法──控制變量法、圖象法的應(yīng)用。
3.教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)
重點(diǎn)：①知道決定物體加速度的因素。
②加速度與力和質(zhì)量的關(guān)系的探究過(guò)程。
教學(xué)難點(diǎn)：引導(dǎo)學(xué)生在猜想的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，提出可行的實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
二、學(xué)習(xí)者情況分析
在學(xué)習(xí)這一內(nèi)容之前，所教的學(xué)生已經(jīng)掌握了力、質(zhì)量、加速度、慣性等概念;知道質(zhì)量是慣性的量度、力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因;會(huì)分析物體的受力。已具備一定的實(shí)驗(yàn)操作技能，會(huì)用氣墊導(dǎo)軌與光電測(cè)時(shí)系統(tǒng)或打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究勻變速直線運(yùn)動(dòng);具備一定的計(jì)算機(jī)操作能力，會(huì)應(yīng)用CAI課件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生對(duì)物理學(xué)的研究方法已有一定的了解，在自主學(xué)習(xí)、合作探究等方面的能力有了一定提高。
在非智力因素方面，學(xué)生學(xué)習(xí)積極主動(dòng)，對(duì)學(xué)習(xí)物理有較濃厚興趣;有較強(qiáng)的好奇心和求知欲，樂(lè)于探究自然界的奧秘;敢于堅(jiān)持正確觀點(diǎn)，勇于修正錯(cuò)誤;喜歡和同齡人一起學(xué)習(xí)，有將自己的見(jiàn)解與他人交流的愿望，具有團(tuán)隊(duì)精神。
三、教學(xué)目標(biāo)分析
根據(jù)上述對(duì)學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)者情況的分析，確定本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)如下：
1.知識(shí)與技能目標(biāo)
�、僮寣W(xué)生明確物體的加速度只與力與和質(zhì)量有關(guān)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究它們之間的定量關(guān)系;
�、谂囵B(yǎng)學(xué)生獲取知識(shí)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。
2.過(guò)程與方法目標(biāo)
在探究過(guò)程中，滲透科學(xué)研究方法(控制變量法、實(shí)驗(yàn)歸納法、圖象法等);
3.情感、態(tài)度、價(jià)值觀目標(biāo)
�、偻ㄟ^(guò)學(xué)生之間的討論、交流與協(xié)作探究，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神;
�、谧寣W(xué)生在探究過(guò)程中體驗(yàn)解決問(wèn)題的成功喜悅，增進(jìn)學(xué)習(xí)物理的情感。
四、教材處理與教學(xué)策略
在教材處理上把牛頓第二定律分為兩個(gè)學(xué)時(shí)。第一學(xué)時(shí)主要的任務(wù)是：探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系;第二學(xué)時(shí)主要的任務(wù)是：建立牛頓第二定律并進(jìn)行初步的應(yīng)用。本節(jié)課是第一學(xué)時(shí)，主要采用以下的教學(xué)策略：
1.自主學(xué)習(xí)與合作探究
改演示實(shí)驗(yàn)為學(xué)生分組探究實(shí)驗(yàn)。讓學(xué)生在自主學(xué)習(xí)中，通過(guò)對(duì)認(rèn)知活動(dòng)進(jìn)行自我監(jiān)控，并及時(shí)做出相應(yīng)的調(diào)整。小組(4～6人一組)，小組間的合作探究可以同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的合作精神和競(jìng)爭(zhēng)意識(shí)，讓不同層次的學(xué)生都能有所作為，有所收獲。
教師的策略是宏觀調(diào)控整體教學(xué)進(jìn)度，微觀放活學(xué)生局部學(xué)習(xí)進(jìn)程，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)有組織、有步驟地進(jìn)行。
2.現(xiàn)代教學(xué)手段與啟發(fā)式
在課堂中采用多媒體課件作為輔助手段，創(chuàng)設(shè)物理情景，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生建立形象直觀的認(rèn)識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性;同時(shí)利用CAI課件和校園網(wǎng)絡(luò)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，能有效地提高學(xué)習(xí)效率。
五、教學(xué)器材
教學(xué)設(shè)備：多媒體教室、課件。
學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)器材(探究包)：氣墊導(dǎo)軌、氣源、兩個(gè)光電門(mén)和與之配套的數(shù)字計(jì)時(shí)器，滑塊、滑片、細(xì)線、小桶、天平、砝碼、細(xì)沙、彈簧秤、小車(chē)、木塊、鉤碼、一端帶有滑輪的長(zhǎng)木板、打點(diǎn)器、紙帶、秒表、毫米刻度尺、墊木、橡皮筋等。
六、教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)
(一)創(chuàng)設(shè)情景、引入新課
視頻展示：劉翔在雅典奧運(yùn)會(huì)奪金的情景。
教師：在決賽時(shí)，劉翔將自己身上一切戴的東西像手表、項(xiàng)鏈等都摘了下來(lái)，穿最輕的跑鞋。這樣做的科學(xué)道理在哪里?
預(yù)測(cè)學(xué)生討論后得出的結(jié)論可能是：___________________________。
質(zhì)量越小，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)越容易改變，也就是說(shuō)在相同的情況下，物體獲得的加速度就越大。
說(shuō)明通過(guò)視頻展示創(chuàng)設(shè)物理情景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)滲透德育教育。
(二)提出猜想
教師：那么、物體的加速度與哪些因素有關(guān)呢?請(qǐng)同學(xué)們從生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)提出自己的看法，并舉例說(shuō)明。(同時(shí)教師利用課件提供一些圖片，對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)。)
附圖片內(nèi)容如下：
★為何體操，跳水運(yùn)動(dòng)員的身材都比較苗條、瘦小?
★從防止發(fā)生交通事故的角度考慮，說(shuō)一說(shuō)反超載的道理?
★F1方程式賽車(chē)的質(zhì)量只有一般小轎車(chē)質(zhì)量的三分之一，這樣做有什么好處?
★神舟五號(hào)飛船返回倉(cāng)返回時(shí)為何要打開(kāi)降落傘?
預(yù)測(cè)學(xué)生有代表性的回答可能有以下幾方面：(教師在學(xué)生分析的過(guò)程中板書(shū)歸納。)
1.與物體受到的外力的關(guān)系：
�、倥c物體受到的外力有關(guān);例如：騎自行車(chē)剎車(chē)：用力剎車(chē)時(shí)，用的力越大、車(chē)越容易停下來(lái)，即：阻力越大，自行車(chē)減速的加速度越大。
�、谂c物體受到的外力無(wú)關(guān);例如：用大小不一樣的力推大石頭，推不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變，加速度為零。
③應(yīng)該是與物體受到的合外力有關(guān);分析如下：用大小不一樣的力推大石頭，推不動(dòng)，是因?yàn)榇笫^同時(shí)受到摩擦力的作用，受到合外力為零，因此、加速度也為零。
……
2.與物體質(zhì)量的關(guān)系：
與物體的質(zhì)量有關(guān);例如：人分別用相同的力推自行車(chē)和摩托車(chē)時(shí)，自行車(chē)比較容易加速啟動(dòng)，而摩托車(chē)則較難。也就是說(shuō)在相同的情況下，質(zhì)量較小的自行車(chē)獲得的加速度就較大。
……
3.與物體運(yùn)動(dòng)的速度的關(guān)系：
�、倥c物體的速度有關(guān);例如：速度大的物體較不容易停止運(yùn)動(dòng)，而速度小的物體較容易天下來(lái)。
②與物體的速度無(wú)關(guān);例如：做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物體不論速度大小，加速度都為零。
③與物體的速度無(wú)關(guān);分析如下：加速度是描述速度變化快慢的物理量，從公式 可知，加速度與速度的大小無(wú)關(guān)。……
引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)得出猜想：物體的加速度 只與它所受合外力 和物體本身的質(zhì)量 有關(guān)。說(shuō)明學(xué)生在生活中對(duì)“影響物體加速度大小的因素”有所認(rèn)識(shí)，但這些認(rèn)識(shí)往往是片面的、不準(zhǔn)確的。因此要讓學(xué)生充分地表達(dá)已有的認(rèn)識(shí)，在這過(guò)程中教師利用課件提供一些圖片，對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)，引導(dǎo)他們不斷修正自己的觀點(diǎn)，從而形成對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)。
引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合前面學(xué)習(xí)的知識(shí)(牛頓第一定律等)，討論猜想的科學(xué)依據(jù)所在，從而確定：物體的加速度 只與它所受合外力 和物體本身的質(zhì)量 有關(guān)。說(shuō)明：讓學(xué)生從理論的角度加以分析有利于培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。
引導(dǎo)學(xué)生深入探究： 與 和 的定量關(guān)系。(三)探究a與F、m的定量關(guān)系
1.確定研究方法
教師：我們應(yīng)該采用什么樣的物理方法來(lái)研究 與 、 的定量關(guān)系呢?預(yù)測(cè)學(xué)生的分析可能如下：
分兩步進(jìn)行研究：
①保持研究對(duì)象的質(zhì)量 一定時(shí)，研究加速度 和合外力 的關(guān)系; ②保持研究對(duì)象受到的合外力 一定時(shí)，研究加速度 和質(zhì)量 的關(guān)系。然后綜合兩次的研究結(jié)果，進(jìn)行推理和歸納，便可找出 與 、 三者之間存在的關(guān)系。……
教師在確定研究方法后，簡(jiǎn)單地介紹“控制變量法”。
說(shuō)明初中階段學(xué)生曾多次應(yīng)用過(guò)控制變量法。如果學(xué)生回答有誤，教師啟發(fā)學(xué)生回憶：研究電流與電壓和電阻這三者關(guān)系所采用的方法。
2.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案
教師進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。
讓學(xué)生以小組為單位設(shè)計(jì)探究方案：包括使用哪些實(shí)驗(yàn)器材，如何進(jìn)行操作，如何采集數(shù)據(jù)等?(要求學(xué)生把設(shè)計(jì)的方案簡(jiǎn)要地寫(xiě)在紙上)。
教師巡視給予必要的指導(dǎo)。
……
選擇較有代表性方案的小組派代表上臺(tái)簡(jiǎn)要敘述本組設(shè)計(jì)的方案(用實(shí)物投影儀把學(xué)生寫(xiě)在紙上的方案投影出來(lái))，讓全班同學(xué)進(jìn)行交流。大家在互相啟發(fā)、補(bǔ)充的過(guò)程中形成較為完善的方案。
預(yù)測(cè)學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案可能是：
方案一：用小車(chē)、電火花打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、長(zhǎng)木板、細(xì)線、小桶、鉤碼、天平、砝碼、刻度尺、墊木等器材，研究小車(chē)的運(yùn)動(dòng)。用天平分別測(cè)出小車(chē)的質(zhì)量 ，測(cè)出小桶的質(zhì)量與小桶中砝碼 ，把小桶與小桶中砝碼的總重力 當(dāng)作小車(chē)受到的拉力 ，從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶上測(cè)量并算出 ，由 計(jì)算出小車(chē)的加速度 。方案二：以氣墊導(dǎo)軌、氣源、兩個(gè)光電門(mén)、數(shù)字計(jì)時(shí)器、滑塊、滑片、刻度尺、細(xì)線、小桶、砝碼、天平為器材研究滑塊的運(yùn)動(dòng)。用天平測(cè)出滑塊和滑片的質(zhì)量滑塊M，測(cè)出小桶與小桶中砝碼的質(zhì)量 ，把小桶與小桶中砝碼的總重力 當(dāng)作滑塊受到的拉力 ，用光電門(mén)和數(shù)字計(jì)時(shí)器自動(dòng)測(cè)出滑塊運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電門(mén)時(shí)的速度 、 ，以及這一過(guò)程所用的時(shí)間t，再通過(guò)公式 算出滑塊的加速度 。……
說(shuō)明：①在學(xué)生交流討論實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案中，要有較充分的時(shí)間讓他們對(duì)各種方案闡述自己的觀點(diǎn)，反思方案中的問(wèn)題，同時(shí)教師要參與學(xué)生的討論分析，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生形成較為完善的實(shí)驗(yàn)方案。
②同時(shí)應(yīng)注意有些學(xué)生可能有別的方案，要鼓勵(lì)和認(rèn)真對(duì)待，在課堂時(shí)間不足的情況下，可在課外指導(dǎo)學(xué)生去探究。
③在設(shè)計(jì)測(cè)拉力的方法時(shí)，教師要告訴學(xué)生：把小桶與小桶中砝碼的總重力 當(dāng)作研究對(duì)象受到的拉力 、這是有條件的，即 << 。同時(shí)可以把這一條件作為學(xué)生的課外探究課題。④在實(shí)驗(yàn)中，只需測(cè)出小桶的質(zhì)量，然后通過(guò)加減小桶中砝碼的質(zhì)量來(lái)改變對(duì)研究對(duì)象的拉力，這可以節(jié)約測(cè)量砝碼所需的時(shí)間。
3.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和數(shù)據(jù)處理
①引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)誤差、實(shí)驗(yàn)操作等方面來(lái)分析比較兩種方案的差別。
師生共同確定用“方案二”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，同時(shí)確定實(shí)驗(yàn)的具體步驟和注意事項(xiàng)。并用課件顯示實(shí)驗(yàn)的具體步驟和注意事項(xiàng)。
說(shuō)明“方案二”便于操作，且實(shí)驗(yàn)誤差較小。用課件顯示具體的實(shí)驗(yàn)步驟，有助于學(xué)生較為規(guī)范地完成實(shí)驗(yàn)。
�、诮榻B并演示CAI課件的功能
Ⅰ.數(shù)據(jù)計(jì)算：將測(cè)出 、 、t等數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理表格后、計(jì)算機(jī)將自動(dòng)算出相應(yīng)的加速度 ，將 輸入計(jì)算機(jī)后將自動(dòng)算出合外力 ;Ⅱ.自動(dòng)描點(diǎn)連線制圖的功能;Ⅲ.通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到數(shù)據(jù)共享。�、蹖W(xué)生以小組為單位，分工合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，并把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)(使用移動(dòng)PC并接入校園網(wǎng))。
教師巡視，注意學(xué)生儀器使用是否得當(dāng)，必要時(shí)給予指導(dǎo)。
④調(diào)用多組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生分析 與 、 與 的定量關(guān)系。初步得出： 與F成正比， 與 成反比( 與1/ 成正比)。�、菀龑�(dǎo)學(xué)生應(yīng)用CAI課件，采用圖象法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
師生共同得出結(jié)論： 與 成正比、 與 成反比。說(shuō)明：在CAI課件中定義坐標(biāo)軸的數(shù)值和單位，同時(shí)調(diào)用已存的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)將在坐標(biāo)系中自動(dòng)描點(diǎn)、連線得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的關(guān)系圖象，由此判斷數(shù)據(jù)的關(guān)系。其中 與 的關(guān)系可轉(zhuǎn)變?yōu)? 與1/ 的關(guān)系來(lái)做圖。(四)回顧總結(jié)深化認(rèn)識(shí)
學(xué)生回顧本節(jié)課的探究過(guò)程以及探究過(guò)程中使用的物理思想和方法，歸納總結(jié)這節(jié)課的知識(shí)要點(diǎn)，提出自己在學(xué)習(xí)中存在的疑問(wèn)。
教師答疑，深化知識(shí)。
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