《牛顿第二定律》说课稿(省级获奖实验说课案例)

《牛顿第二定律》说课稿

一、使用教材

沪科版高一第一学期第三章B “牛顿第二定律”

二、实验器材

DIS 系统，DISL ab“加速度和力的关系”专用软件：配有力传感器的数码小车（不同配重）、轨道、砝码、细线

三、实验改进要点

教材中，用DIS 探究加速度与合外力、加速度与质量的关系为学生实验内容，但是教材中的学生实验采用了将钩码的重力大小mg 视为细绳的拉力F 。这种近似只有在一定条件下才成立，由于钩码重力的作用，小车在轨道上做匀加速直线运动。设小车的质量为m 0，钩码的质量为m ，

理论上有： (m 0+m )a =mg 小车与钩码共同的加速度大小：0m a g m m

=+ 而小车受到的合外力：000mm F m a g mg m m

==

≠+ 只有当m 0>> m 时，才有F ≈mg 改进一：用力传感器直接测量细绳上的拉力。

由以上理论分析可以知道，为了使钩码的重力大小mg 可视为细绳的拉力大小F ，实验中要求钩码的质量m 要远小于小车的质量m 0。由于本实验是用来探究牛顿第二定律的，对这个要求的解释需要用到牛顿第二定律，使得老师无法向同学说明这样做的理由，只能提出硬性规定，等学完牛顿第二定律之后再向同学们做解释。

本实验通过力传感器，直接测量细绳上的拉力，不需要再做近似，原理简单，对学生来讲更容易理解。将力传感器固定在小车上，拉小车的细绳直接拴在力传感器上，在小车运动的过程中，计算机上给出力F 随时间t 变化的图象。

改进二：在研究“当小车质量不变时a与F的关系”实验的基础上，对已有数据进行了再利用，从而获得加速度与质量关系的多组数据。

在控制小车所受合外力不变、改变小车质量的过程中，教材中由于将钩码重力mg视为细绳的拉力F，因此只要钩码质量m不变，就近似认为小车所受合外力不变。但从前面的推导中不难看出，F≠mg，本实验的改进一也正是用力传感器直接测量了细绳上的拉力F，由此带来了新的问题，随着小车质量的改变，即使钩码质量不变，细绳上的拉力也会发生改变，无法精确的控制每次实验的合外力不变。理论上可以通过同时调整小车质量和钩码质量来控制细绳拉力不变，但操作起来比较困难，而且难以向学生解释。

具体方案是：在实验一中，分发给每个小组的小车质量各不相同，收集五组同学的a-F 数据，将其汇总至同一a-F坐标系中，得到五条斜率不同的直线。在图中作一根平行于a 轴的直线，与每个图线都有一个交点，就得到了同一合外力下多组a-m数据，由此可以研究当拉力相同时，a和m的定量关系。

通过改进，学生学习到了一种新的获取数据的方法，同时解决了拉力无法控制不变的问题。

四、实验原理/实验设计思路

1、控制变量法：实验中采用控制变量法。先保持小车的质量不变，通过改变钩码的个数来改变小车所受的拉力F，测出相应的加速度a，获得多组数据，通过在a-F坐标系中描点作图，获得a与F的关系；再在保持拉力不变的情况下，改变小车的质量m，测出相应的加速度，获得多组数据，通过在a-m坐标系及a-1/m坐标系中描点作图，获得a与m的关系。

2、研究a-F关系时，实验装置如图1所示。研究对象为一辆在平直轨道上的数码小车，数码小车与力传感器组合在一起，细线一端系在力传感器上，另一端绕过一定滑轮，悬挂钩码。在钩码重力的作用下，小车在轨道上做匀加速直线运动。将轨道垫高，让小车重力沿斜面方向的分力恰好平衡小车所受摩擦力，此时绳子拉力即小车所受合外力。小车在绳子拉力F作用下运动时，力传感器测量小车所受合外力，数码小车测量小车运动的位移，通过无线传输信号的方式，计算机上可同时获得v-t图象和F-t图象，界面如图2。选择合适的区域，即可得到相应的a-F数据。