第三节 牛顿第二定律（表格式教学设计）物理粤教版2019必修第一册

该高中物理教学设计聚焦牛顿第二定律，围绕F=ma的理解、应用及“牛顿”单位定义展开，通过回顾上节课a∝F/m的实验结论，引入数字化实验系统验证规律，衔接新旧知识形成学习支架。 资料亮点在于数字化实验创新应用，利用力传感器和运动传感器实时采集数据，生成a-F、a-1/m图像直观验证规律，培养科学探究能力，推导过程强化科学思维，结合实验数据深入分析矢量性和瞬时性，助力学生构建物理观念，为教师提供可操作的实验教学方案。

第三节 牛顿第二定律（教学设计） 年级 高一年级 学科 物理 教师 课题 第3节 牛顿第二定律 教学 目标 物理观念 理解牛顿第二定律的表达式F=ma，掌握其物理意义；知道力的单位"牛顿"的定义。 科学思维 通过从实验规律到数学表达式的推导，培养逻辑推理能力；理解定律的矢量性和瞬时性。 科学探究 基于数字化实验验证a-F、a-m关系，通过理论推导得出牛顿第二定律，体验规律发现的过程。 科学态度 与责任 认识牛顿第二定律在科技发展和生活中的重要应用，培养严谨求实的科学态度。 教学 重难点 教学重点： 1. 牛顿第二定律F=ma的理解和应用； 2. 力的单位"牛顿"的定义。 教学难点： 1. 牛顿第二定律矢量性的理解； 2. 定律瞬时性的理解； 3. 从比例关系a∝F/m到等式F=ma的推导过程。 教学过程 教师活动 学生活动 教学引入 1. 回顾旧知，提出问题： 提问："上节课我们通过传统实验得出了什么结论？" 引导学生回顾：a ∝ F （m一定时）；a ∝ 1/m （F一定时） 综合得出：a ∝ F/m 提出新问题："今天我们用更精密的数字化实验来验证这一关系，并探讨如何将这个比例关系写成等式。" 回顾上节课的实验结论 对数字化实验产生期待 明确本节课的探究目标 承上启下，既巩固了已有知识，又引出新的探究手段，激发学生的学习兴趣。 新课讲授 一、数字化实验探究过程及结果分析 1. 介绍数字化实验系统： 展示数字化实验装置：力传感器、运动传感器、数据采集器、计算机等 讲解各部件功能： 力传感器：实时测量拉力大小 运动传感器：实时测量物体的位置、速度、加速度 数据采集器：将模拟信号转换为数字信号 计算机软件：实时显示和处理数据 2. 演示实验操作： 实验一：a-F关系研究（保持质量不变） 固定小车的质量，通过改变悬挂物质量来改变拉力 启动系统，让小车在拉力作用下运动 软件实时显示F-t图和a-t图 实验二：a-m关系研究（保持拉力不变） 固定悬挂物质量，通过增减配重改变小车质量 重复实验过程，采集数据 3. 指导数据分析： 展示软件自动生成的a-F散点图 进行线性拟合，显示拟合方程和相关系数 展示a-m散点图和a-1/m散点图 对比两种图像的线性关系 4. 引导学生得出结论： 从a-F图像的线性关系得出：a ∝ F 从a-1/m图像的线性关系得出：a ∝ 1/m 综合得出：a ∝ F/m 观察数字化实验装置的组成和工作原理 记录实验过程中观察到的现象 分析软件生成的图像和数据 参与讨论，得出实验结论 通过现代化的实验手段，让学生体验科技在物理研究中的应用，培养数字化素养。实时数据采集和处理使规律更加直观，增强说服力。 新课讲授 二、牛顿第二定律的得出 1. 理论推导： 基于数字化实验结论：a ∝ F/m 引入比例系数k：a = kF/m 引导学生思考："k的数值应该如何确定？" 2. 定义力的单位： 讲解："为了使公式最简洁，物理学规定：使质量为1kg的物体产生1m/s²加速度的力，定义为1牛顿（N）" 代入定义进行推导： 当m = 1kg, a = 1m/s²时，F = 1N 代入公式：1 = k1/1 ⇒ k = 1 得出牛顿第二定律表达式：F = ma 总结： 3. 单位关系说明： 强调：1N = 1kgm/s² 解释这是力的国际单位的基本定义 参与公式推导过程 理解单位定义的物理意义 记录完整的牛顿第二定律表达式 让学生经历从实验现象到数学表达式的完整科学发现过程，理解物理概念建立的内在逻辑。 新课讲授 三、牛顿第二定律的深入理解及简单应用 1. 矢量性分析： 强调：F和a都是矢量，定律的矢量表达式：F = ma 说明：加速度的方向与合外力的方向始终相同 通过数字化实验数据验证：力的方向改变时，加速度方向同步改变 2. 瞬时性理解： 回放数字化实验中的F-t图和a-t图 指出：力变化的瞬间，加速度同步变化 得出结论：a与F具有瞬时对应关系 3. 其他特性说明： 同体性：F、m、a必须对应同一研究对象 独立性：每个力都独立地产生加速度 4.例题：一辆质量为1.0×103kg 的汽车，经过10s 由静止沿直线匀加速到30m/s.求汽车所受的合力。 5. 建立解题规范： 总结应用牛顿第二定律解题的基本步骤： 1. 确定研究对象 2. 进行受力分析 3. 建立坐标系（以加速度方向为正向） 4. 列方程 F合 = ma 5. 求解并讨论 强调解题规范，示范完整书写过程 观察实验数据验证矢量性 分析F-t和a-t图的对应关系理解瞬时性 讨论理解其他特性 利用数字化实验的精确数据，帮助学生深入理解定律的特性，特别是矢量性和瞬时性这两个难点。 完成基础计算练习 学习并实践解题步骤 对比理论值与实验值 培养学生规范解题的能力，增强对定律正确性的信心。 课 堂 练 习 一、单选题 1．关于力的单位“牛顿”的理解，以下说法中正确的是(　　) A．“N”这个单位是由质量1 kg的物体所受重力为9.8 N而规定下来的 B．“N”这个单位是由牛顿第二定律，当时规定下来的 C．使质量为1 kg的物体产生9.8 m/s2的加速度的力为1 N D．物体所受重力为19.6 N中“N”并不是规定的，而是测出来的 【答案】B 【详解】AB．“牛顿”这个单位是由牛顿第二定律 当时规定下来的，故A错误，B正确； CD．在国际单位制中力的单位是牛顿，它是属于导出单位，是根据牛顿第二定律定义的，1N就是使质量1 kg的物体产生加速度的力，所以“N”是规定的，不是测出来的，故CD错误。 故选B。 2．牛顿第二定律的表达式中，包含几个矢量（　　） A．1个 B．2个 C．3个 D．没有矢量 【答案】B 【详解】既有大小、又有方向的物理量是矢量，中m只有大小、没有方向，F、a既有大小、又有方向，因此中，包含2个矢量。选项B正确，ACD错误。 故选B。 3．如图，放置在粗糙水平面上的斜劈上固定有一个短直轻杆，直杆的上端固定一个小球，现用一力F水平作用在斜劈上，使斜劈和小球一起水平向左做直线运动，下列说法正确的是（　　） A．当斜劈做匀速直线运动时，直杆对小球的弹力沿杆斜向上 B．当斜劈做匀加速直线运动时，直杆对小球的弹力一定沿杆斜向上 C．当斜劈做匀加速直线运动时，直杆对小球的弹力有可能不沿杆，方向斜向左上方 D．当斜劈做匀减速直线运动时，直杆对小球的弹力沿杆斜向下 【答案】C 【详解】A．当斜劈做匀速直线运动时，小球做匀速直线运动时，所受合力为0，直杆对小球的弹力竖直向上，故A错误； BC．当斜劈做匀加速直线运动时，小球做匀加速直线运动时，轻杆对小球有水平向左和竖直向上的力，合力方向不一定沿杆方向，故B错误，C正确； D．当斜劈做匀减速直线运动时，小球做匀减速直线运动时，轻杆对小球有水平向右和竖直向上的力，合力不可能向下，故D错误。 故选C。 4．利用传感器和计算机可以测量快速变化力的瞬时值。如图是用这种方法获得的弹性绳中拉力F随时间t变化的图线。实验时，把小球举高到绳子的悬点O处，然后放手让小球自由下落。由此图线所提供的信息，以下判断正确的是（   ） A．t2时刻小球速度最大 B．t1～t2期间小球速度先增大后减小 C．t3时刻小球动能最小 D．t1与t4时刻小球动能一定相同 【答案】B 【详解】A．把小球举高到绳子的悬点O处，让小球自由下落，t1时刻绳子刚好绷紧，此时小球所受的重力大于绳子的拉力，小球向下做加速运动，当绳子的拉力大于重力时，小球才开始做减速运动，t2时刻绳子的拉力最大，小球运动到最低点，速度为零，所以t2时刻小球速度不是最大，故A错误； B．t1-t2时间内小球先做加速度减小的加速运动，当绳子的拉力大于重力时，小球才开始做减速运动，t2时刻绳子的拉力最大，小球运动到最低点，速度为零，故B正确； C．t3时刻与t1时刻小球的速度大小相等，方向相反，而t1～t2期间小球速率先增大后减小，t2时刻速度最小为零，所以动能最小为零，故C错误； D．t3与t4时刻都与t1时刻小球速度大小相同，且t1与t4时刻方向也相同，t3与t4时刻方向相反，故D错误。 故选B。 二、多选题 5．关于牛顿第二定律，下列说法正确的是（　　） A．根据公式F＝ma可知，物体所受合外力与其运动的加速度成正比 B．物体所受合外力不为零时，一定会产生加速度，但速度可能为零 C．在公式F＝kma中，k的数值取决于F、m、a的单位的选取 D．牛顿第二定律在F＝0时可以推导出牛顿第一定律 【答案】BC 【详解】A．根据公式，加速度与合外力成正比（当质量一定时），而非合外力与加速度成正比，故A错误； B．合外力不为零时，物体必然产生加速度，但速度可能为零（如物体从静止开始加速的瞬间），故B正确； C．公式中，的数值由、、的单位决定。例如，国际单位制中，其他单位制中可能不同，故C正确； D．牛顿第一定律定义了惯性参考系，是牛顿第二定律成立的前提。牛顿第二定律在时得出，但无法推导出第一定律的全部内涵（如惯性系的定义），故D错误。 故选BC。 6．一个恒力作用在质量为m1的物体上，产生的加速度为a1，作用在质量为m2的物体上，产生的加速度为a2，若此恒力作用在质量为m1＋m2的物体上，则产生的加速度一定错误的是(    ) A．a1a2 B． C． D． 【答案】ABC 【详解】恒力单独作用于两个物体上时，根据牛顿第二定律得 解得 当F作用在质量为（m1+m2）的物体上时，根据牛顿第二定律得 故选ABC。 7．如图，光滑水平面上，质量分别为和的两小球由一根轻质弹簧相连接（弹簧始终在弹性限度内），在沿弹簧轴线方向的水平拉力作用下一起做匀加速直线运动，加速度大小为；现在突然撤去拉力，此瞬间两小球的加速度大小分别为和，不计空气阻力，则（　　） A． B．， C．， D．， 【答案】CD 【详解】ABC．由于弹簧的弹力不能突变，撤去拉力的瞬间，质量为m的物体加速度仍为a，因此质量为2m的物体加速度大小为，AB错误，C正确； D．撤去拉力之前，根据牛顿第二定律 而弹簧的弹力 可得 ， 撤去拉力之后，质量为m的物体加速度不变，即 根据牛顿第二定律 可知质量为2m的物体加速度 D正确。 故选CD。 三、实验题 8．某同学想用甲图所示的装置测定滑块与水平桌面间的动摩擦因数。滑块上表面固定一个宽度为d的遮光条，滑块的左侧面固定一蓝牙拉力传感器（可通过接收器读出拉力），光电门固定在桌面上的B点。调节定滑轮的高度，使连接滑块和重物的细绳与桌面平行，将滑块从A点(遮光条与A点对齐)由静止释放，测出遮光条经过光电门的时间。改变重物的质量，重复以上操作。已知当地重力加速度g=10m/s2。 (1)本实验 （填“需要”或“不需要”）满足滑块（带遮光条）的质量M远大于重物质量m； (2)要得到滑块的加速度，还需要测定的物理量是 ，加速度的表达式为a= m/s2（用测量量和已知量的符号表示）。 (3)若根据测得的加速度a和对应的拉力传感器的示数F，作出如乙图所示a-F图象，则滑块(带遮光条)质量M= kg；滑块与桌面间的动摩擦因数为 。 【答案】 不需要 AB之间的距离 0.5 0.2 【详解】(1)[1]滑块所受绳子拉力可由拉力传感器读出，所以不需要满足M远大于m。 (2)[2][3]由题可得，通过光电门的速度为 根据运动学公式 得到滑块加速度为 由此可知实验中要得到滑块的加速度，还需要测定AB两点间的距离x。 (3)[4][5]根据牛顿第二定律 解得 作出图线的纵轴截距表示，则有 解得 斜率表示滑块质量的倒数，则有 解得滑块质量为 kg 四、解答题 9．在绕地球做匀速圆周运动的宇宙飞船中，由于宇宙飞船处于完全失重状态，所以无法用天平测物体的质量。某宇航员曾在这样的飞船中完成了以牛顿第二定律为基础的测定质量的实验。实验时，用一带有推进器的质量为m1＝2 kg的物体A与质量为m2的待测物体B相互接触以后，开动尾部的推进器，使A和B共同加速，如图所示，已知推进器的平均推力F等于5 N，A、B的加速度是1 m/s2。求物体B的质量m2。 【答案】3 kg 【详解】对A、B整体利用牛顿第二定律得 解得 10．如图所示，总质量为460kg的热气球，从地面刚开始竖直上升时的加速度为0.5m/s2，当热气球上升到175m时，以10m/s的速度向上匀速运动，同时有一颗质量为0.01kg的小铆钉从热气球上脱离掉落，小铆钉脱离时相对热气球静止．若离开地面后热气球所受浮力保持不变，上升过程中热气球总质量不变，重力加速度g＝10m/s2．求： （1）热气球所受浮力大小； （2）匀速上升时热气球所受的空气阻力； （3）小铆钉落地时热气球离地的高度． 【答案】（1）4830 N；（2）230 N；（3）245m 【分析】（1）匀加速上升阶段，热气球受重力和浮力，根据牛顿第二定律列式求解浮力； （2）匀速上升时热气球受重力、浮力和空气的阻力，根据共点力平衡条件列式； （3）小铆钉做竖直上抛运动，根位移时间关系公式列式求解时间，对气球运用运动学公式列式求解高度； 【详解】（1）气球匀加速上升过程中，受到向上的浮力，向下的重力，根据牛顿第二定律可得 所以 （2）匀速时，气球受到向上的浮力，向下的重力和阻力作用，三力合力为零，故有 所以 （3）小铆钉先做初速度为10m/s的竖直上抛运动，然后做自由落体运动，竖直上抛运动时间为 上升的高度为 故小铆钉做自由落体运动的高度为 做自由落体运动时间为 故气球上升的高度为 故此时气球离地的高度为 课 堂 小 结 §4.3 牛顿第二定律 一、数字化实验验证 1. 实验装置：力传感器、运动传感器等 2. 实验结论：a ∝ F/m 二、定律得出 实验基础：a ∝ F/m 单位定义：1N = 1kgm/s² 数学表达：F = ma 三、定律特性 1. 矢量性：a方向与F合同向 2. 瞬时性：同时变化 3. 同体性：同一研究对象 4. 独立性：各力独立作用 四、应用步骤 定对象→析受力→建坐标→列方程→求解 板 书 设 计 §4.3 牛顿第二定律 作业 布置 1. 基础题：教材课后【练习】第1、2题（直接应用F=ma计算） 2. 实验分析： 分析数字化实验数据，计算a/F的比值，验证其恒定性 比较传统实验与数字化实验的优缺点 3. 拓展题： 设计一个用智能手机传感器验证牛顿第二定律的实验方案 研究不同质量物体在相同力作用下的运动情况 教学反思 本节课通过引入数字化实验，极大地增强了实验的精确性和直观性。力传感器和运动传感器的使用，使学生能够实时观察到力与加速度的对应关系，对理解牛顿第二定律的矢量性和瞬时性有显著帮助。在实验过程中，学生表现出浓厚的兴趣，特别是看到计算机实时生成的数据曲线时，能够更直观地理解物理规律。从实验数据得出定律表达式的过程更加顺畅，学生对于比例系数k=1的理解也更加深刻。然而，数字化实验设备的操作对部分学生来说仍有一定难度，需要更详细的操作指导。另外，如何将传统实验的动手操作与数字化实验的精确测量更好地结合，是今后需要进一步探索的方向。整体来看，数字化实验的引入有效提升了课堂教学效果，为学生理解牛顿第二定律提供了有力的支撑。 1 / 1 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $