4.2实验：探究加速度与力、质量的关系 教学设计-2026-2027学年高一上学期物理人教版必修第一册

该高中物理教学设计聚焦“探究加速度与力、质量的关系”核心实验，通过货车空载满载加速差异、不同力推小车等生活场景导入，衔接牛顿第一定律定性认知，搭建控制变量法实验设计的学习支架，引导学生从定性到定量探究动力学规律。 该资料以科学探究为主线，通过分组实验、a-F及a-1/M图像“化曲为直”处理数据，强化控制变量法应用，深入分析平衡摩擦力、槽码质量近似条件等误差来源，培养学生科学探究与科学思维素养，为教师提供可操作的探究教学框架，有效提升学生实验能力与物理观念构建。

4.2实验：探究加速度与力、质量的关系（教学设计） 授课教师：______________ 授课班级：______________ 授课时间：______________ 一、教材分析 （一）内容定位 本节是人教版2019高中物理必修第一册第四章《运动和力的关系》的核心实验课，是学生在学习牛顿第一定律后，从定性认知转向定量探究动力学规律的关键节点，也是高中物理最重要的探究性实验之一。 （二）教材编排逻辑 教材遵循“提出问题—猜想假设—实验设计—操作探究—数据处理—归纳结论”的科学探究路径：先从生活现象出发引导学生猜想加速度与力、质量的关系；再明确控制变量法的实验思路，讲解实验原理与操作要点；最后通过打点计时器测加速度、图像法处理数据，定量得出三者的关系，为下一节牛顿第二定律的学习奠定实验基础。 （三）地位作用 本节课是控制变量法、图像法处理数据的典型应用载体，既深化了学生对加速度、受力、质量概念的理解，也完整训练了学生的实验设计、操作、数据处理与误差分析能力。实验得出的定量结论是牛顿第二定律的直接实验依据，在整个动力学模块中起到承上启下的核心作用。 二、学情分析 （一）知识基础 学生已掌握加速度的物理意义、受力分析基本方法，理解牛顿第一定律中力与运动的定性关系；会使用打点计时器测加速度，具备基本的矢量运算基础。但学生对多变量的定量探究经验不足，对实验方案的设计、系统误差的分析能力较弱。 （二）能力基础 高一学生具备基本的实验操作与数据记录能力，能参与小组合作完成实验，但实验设计的逻辑性、变量控制的严谨性有待提升；对图像法处理数据有初步认知，但对“化曲为直”的作图思想理解不深，分析误差的能力不足。 （三）认知障碍 学生存在典型认知难点：不理解为什么要平衡摩擦力、不清楚“槽码质量远小于小车质量”的近似条件；容易混淆实验的控制变量；数据处理时不会通过a图像将曲线关系转化为线性关系进行分析。 三、教学目标 （一）物理观念 1.通过实验探究，定量认识加速度与力、质量的对应关系，深化对力是改变运动状态原因的理解。 2.明确合力、质量是影响加速度大小的两个核心因素，初步建立“力决定加速度”的动力学观念。 （二）科学思维 1.掌握控制变量法的研究思想，能在多变量问题中通过控制变量逐一探究物理规律。 2.掌握图像法处理实验数据的方法，理解“化曲为直”的线性化处理思想，提升数据分析与归纳推理能力。 （三）科学探究 1.完整经历“猜想—设计—操作—数据处理—结论”的科学探究全过程，提升实验设计、规范操作与误差分析能力。 2.通过小组合作完成实验，培养分工协作、交流论证的探究素养。 （四）科学态度与责任 1.养成规范操作、如实记录数据、尊重实验事实的科学探究态度。 2.体会物理规律的严谨性，认识实验探究在物理学发展中的核心价值。 四、教学重难点 （一）教学重点 1.控制变量法的实验设计思路与实施。 2.打点计时器测加速度的操作与数据计算。 3.图像法处理数据，归纳加速度与力、质量的定量关系。 （二）教学难点 1.实验原理的理解：平衡摩擦力的作用与方法、槽码拉力的近似条件。 2.实验系统误差的分析与规避。 3.a图像的物理意义与“化曲为直”的数据处理思想。 五、教学准备 1.实验器材（每组一套）：带定滑轮的长木板、小车、砝码盒、槽码组、细绳、电磁打点计时器、纸带、学生电源、刻度尺、天平、坐标纸。 2.多媒体资源：实验装置示意图、实验操作规范视频、数据表格模板、图像绘制示例、误差分析课件。 3.组织准备：学生4人一组划分实验小组，明确操作、记录、数据处理、汇报的分工；提前预习打点计时器测加速度的方法。 六、教学过程 （一）情境导入，猜想设疑（5分钟） 教师展示两个生活场景： ①货车空载时起步加速快，满载货物时加速明显变慢； ②用不同大小的力推同一辆小车，力越大，小车速度增加得越快。 师生互动提问： 师：结合生活经验，大家认为物体的加速度大小可能和哪些因素有关？ 生：和受力大小有关，和物体的质量有关。 师：加速度和力、质量之间是定性的关系还是定量的关系？我们猜想：质量一定时，力越大，加速度越大；力一定时，质量越大，加速度越小。那它们之间是正比关系吗？今天我们就通过实验定量探究加速度与力、质量的关系。 （二）新知探究一：实验方案设计（10分钟） 1.实验方法：控制变量法 师：有两个自变量会影响加速度，我们应该用什么研究方法？ 生：控制变量法。 师生共同明确探究思路： 第一步：保持小车的质量不变，改变拉力大小，探究加速度与力的关系； 第二步：保持拉力大小不变，改变小车的质量，探究加速度与质量的关系。 2.测量物理量与测量方法 小组讨论三个物理量的测量方案，教师总结规范： 1.质量的测量：用天平测量小车质量、槽码的总质量；通过增减砝码改变小车质量，增减槽码改变拉力。 2.力的测量：用槽码的总重力近似作为小车受到的拉力，后续再讨论近似条件。 3.加速度的测量：利用打点计时器打出的纸带，通过逐差法计算加速度，保证测量精度。 3.实验装置 教师展示实验装置图，讲解各部分作用：长木板、小车、打点计时器、细绳、槽码、定滑轮；强调细绳要与长木板平行，保证拉力方向与运动方向一致。 （三）新知探究二：实验操作要点与误差规避（10分钟） 1.平衡摩擦力 教师提出问题引导思考： 师：小车运动时会受到木板的摩擦力，此时绳子的拉力等于小车受到的合力吗？怎样才能让绳子的拉力等于小车的合力？ 学生分组讨论，代表发言。 教师讲解平衡摩擦力的方法：将长木板不带滑轮的一端适当垫高，让小车重力沿斜面向下的分力平衡小车受到的摩擦阻力。 师：怎么判断摩擦力已经平衡好了？ 生：轻推小车，小车能沿木板匀速下滑，打出的纸带点迹均匀，说明摩擦力平衡成功。 教师补充：平衡摩擦力后，无论小车质量如何改变，重力分力都能和摩擦力平衡，无需重复平衡。 2.拉力的近似条件 教师设疑：槽码拉着小车加速运动时，槽码本身也在加速下落，此时绳子的拉力等于槽码的重力吗？ 引导学生简单推导：对槽码而言，重力大于拉力，才有向下的加速度；只有当槽码的总质量远小于小车质量时，拉力才近似等于槽码的总重力。 教师强调：实验中必须满足槽码的总质量远小于小车质量，才能减小系统误差。 3.实验操作步骤 师生共同梳理规范实验步骤： 1.用天平分别测出小车的质量M，槽码的总质量m，记录数据。 2.按图安装实验装置，暂不挂槽码。 3.平衡摩擦力：垫高木板一端，轻推小车，直到小车匀速运动。 4.保持小车质量不变，挂上槽码，接通电源，释放小车，打出纸带；改变槽码的数量，重复实验3次。 5.保持槽码质量不变，在小车上增减砝码改变总质量，重复实验3次。 6.整理实验器材，处理每条纸带，计算对应的加速度。 （四）新知探究三：分组实验与数据采集（15分钟） 学生分组进行实验操作，教师巡视指导，及时纠正操作问题： 1.提醒学生先接通电源，待打点稳定后再释放小车，实验结束先关闭电源。 2.检查细绳是否与木板平行，打点计时器限位孔是否对齐。 3.指导学生选取点迹清晰的纸带，用逐差法计算加速度，减小误差。 4.引导学生如实记录数据，不得随意修改实验结果。 学生将实验数据填入对应表格： 表1保持小车质量不变，探究a与F的关系 实验次数 槽码总质量 m/kg 拉力 F/N 加速度 a/(m/) 1 2 3 表2保持拉力不变，探究a与m的关系 实验次数 小车总质量 M/kg / 加速度 a/(m/) 1 2 3 （五）新知探究四：数据处理与规律总结（8分钟） 1.图像法处理数据 教师引导：为了更直观地得出物理量之间的关系，我们用图像法分析数据。 1.a-F图像：以加速度a为纵轴，拉力F为横轴，根据表1数据描点作图。 师：质量一定时，a-F图像是什么形状？说明什么？ 生：是一条过原点的倾斜直线，说明质量一定时，加速度与力成正比。 2.a-图像： 师：如果作a-M图像，会是曲线，不方便判断关系。我们怎么转化成线性关系？ 生：作a-图像，将质量转化为倒数。 教师讲解“化曲为直”思想：以a为纵轴，为横轴描点作图，若图像是过原点的直线，则说明力一定时，加速度与质量成反比。 学生分组绘制图像，教师展示优秀作业，共同分析图像特征。 2.实验结论 师生共同总结实验结论： 1.当物体的质量一定时，物体的加速度与所受的合力成正比； 2.当物体所受的合力一定时，物体的加速度与物体的质量成反比。 3.误差分析 小组讨论实验中可能的误差来源： 系统误差：槽码质量没有远小于小车质量，导致拉力测量值偏大；摩擦力平衡不足或过度。 偶然误差：纸带测量误差、打点阻力、空气阻力等。 （六）课堂小结（2分钟） 师生共同梳理本节课核心内容： 1.一种核心方法：控制变量法，研究多变量问题； 2.两个探究关系：质量一定时a∝F，合力一定时a∝； 3.两种数据处理方法：逐差法算加速度、图像法归纳规律（化曲为直思想）； 4.两个关键操作：平衡摩擦力、满足槽码质量远小于小车质量。 七、板书设计 4.2实验：探究加速度与力、质量的关系 一、实验方法：控制变量法 1.质量不变，探究a与F的关系 2.力不变，探究a与m的关系 二、实验原理 1.合力：平衡摩擦力后，绳的拉力等于小车合力 2.拉力近似：槽码质量远小于小车质量，F≈mg 3.加速度：打点计时器+逐差法测量 三、数据处理：图像法 1.a-F图像：过原点直线→a∝F（m一定） 2.a-图像：过原点直线→a∝（F一定） 四、实验结论 m一定时，a与F成正比；F一定时，a与m成反比 八、教学反思 本节课以科学探究为主线，从猜想设疑到方案设计，再到分组实验、数据论证，完整呈现了定量探究的全过程，有效落实了控制变量法与图像法的核心方法，学生参与度高，动手操作与合作探究能力得到提升。但部分学生对平衡摩擦力、槽码拉力近似条件的原理理解不够深入，实验操作节奏偏慢，数据处理的规范性不足。后续可提前布置实验预习，增加误差分析的讨论环节，进一步提升学生的实验探究与科学思维能力。 学科网（北京）股份有限公司 $