牛顿第二定律 高中物理必修教案教学设计 人教版.docx

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牛顿第二定律高中物理必修教案教学设计人教版

牛顿第二定律

【教材分析】

本节教材是人教版物理第四章第3节的内容。

本节在分析上节课实验的基础上，提出了牛顿第二定律的具体内容表述，定量的回答了物体运动状态的变化率——加速度与它所受的外力的关系，以及加速度与它本身质量的关系，得出了牛顿第二定律的数学表达式。

同时本节教材突出了力的单位1N的物理意义，为下一节力学单位制的内容做准备，本节内容在本章中起到承上启下的作用；因而成为了运动学的核心，也是学习其它动力学规律的基础。

所以本节在本章乃至本册，甚至整个高中物理中具有非常重要的地位。

【教学目标与核心素养】

一、教学目标

1．理解牛顿第二定律的内容；知道牛顿第二定律表达式的确切含义。

2．知道国际单位制中力的单位是怎样定义的

3．知道量度式a=

与决定式a=

的区别。

4．能运用牛顿第二定律解决实际问题，并在解决问题的过程中掌握一定的解题方法。

二、核心素养

物理观念：

掌握用数学表达式体现牛顿第二定律的内容的物理观念。

科学思维：

培养学生处理数据误差的逻辑思维，学会分析处理数据。

科学探究：

通过对上节课实验结论的总结，归纳得到物体的加速度跟它的质量及所受外力的关系，进而总结出牛顿第二定律，体会大师的做法与勇气。

科学态度与责任：

通过实验总结出自然规律；在讨论中认识自然规律；在解决实际问题过程中应用自然规律；在认识、应用自然规律的过程中感受自然的奥妙。

【教学重点】

牛顿第二定律的理解

【教学难点】

牛顿第二定律的应用

【教学过程】

教学环节

教师活动

学生活动

设计意图

导入新课

通过上节课的学习，我们知道

（1）当保持物体质量不变时，物体的加速度与它所受力成正比。

加速度与力的关系

用数学式子表示就是：

a∝F

（2）当保持物体受力不变时，物体的加速度跟质量成反比。

加速度与质量的关系

用数学式子表示就是：

a∝1/m

力、加速度、质量到底有没有具体的数量关系？

今天我们来找出这个数量关系

学生回顾加速度与力的关系

以及加速度与质量的关系

温故而知新为牛顿第二定律做铺垫

讲授新课

一、牛顿第二定律的表达式

思考讨论：

小车的加速度a与它所受的作用力F成正比，与它的质量m成反比。

那么，对于任何物体都是这样的吗？

甲猜想中的a-F图像

乙根据实际数据作出的a-F图像

多次类似的实验发现：

每次实验的点都可以拟合成直线，而这些直线与坐标轴的交点又都十分接近原点。

大量的实验和观察到的事实都可以得出：

物体的加速度a与它所受的作用力F成正比，与它的质量m成反比。

1．牛顿第二定律的内容

物体加速度的大小跟它受到的作用力成正比，跟它的质量成反比，加速度的方向跟作用力的方向相同。

这就是牛顿第二定律。

2．牛顿第二定律可表述为：

a∝F/m也可以写成等式：

F＝kma

其中k是比例系数。

注意：

实际物体所受的力往往不止一个，式中F指的是物体所受的合力。

3．牛顿第二定律更一般的表述：

物体的加速度跟所受的合力成正比，跟物体的质量成反比；加速度的方向跟合力的方向相同。

F合＝kma

牛顿第二定律不仅阐述了力、质量和加速度三者数量间的关系，还明确了加速度的方向与力的方向一致。

思考与讨论：

取质量的单位是千克（kg），加速度的单位是米每二次方秒（m/s2），根据上述牛顿第二定律中加速度与力、质量的关系，我们应该怎样确定力的单位？

在F＝kma公式中：

当k＝1时，质量为1kg的物体在某力的作用下获得1m/s2的加速度，则这个力F＝ma＝1kg·m/s2

所以力F的单位就是千克米每二次方秒。

二、力的单位

1．力F的单位

F＝ma＝kg·m/s2读作：

千克米每二次方秒。

出示图片：

牛顿

后人为了纪念牛顿，把它称作“牛顿”，用符号N表示

2．牛顿第二定律的表述

（1）在质量的单位取千克（kg），加速度的单位取米每二次方秒（m/s2），力的单位取牛顿（N）时：

F＝ma

（2）力的独立性原理：

物体受到几个力的作用时，每个力各自独立地使物体产生一个加速度，就像其他力不存在一样，这个性质叫做力的独立性原理。

思考1：

在牛顿第二定律的表达式F=ma中，F与a这两个矢量的方向关系是怎么样？

物体受力方向决定物体的加速度方向。

故加速度a的方向与力F的方向是一致的。

思考2：

在F=ma中，F与a具有什么关系？

加速度与合外力存在着瞬时对应关系：

同时产生，同时消失，同时变化。

思考3：

牛顿第二定律中指出加速度与力成正比，能否说成力与加速度成正比，为什么？

不能说成力与加速度成正比。

因为力是产生加速度的原因，因果性不能变。

思考4：

由牛顿第二定律说一说为什么描述物体惯性的物理量是质量？

由牛顿第二定律：

F＝ma可知在确定的作用力下，决定物体运动状态变化难易程度的因素是物体的质量。

（3）理解牛顿第二定律：

①同体性：

F、m、a对应于同一物体。

②统一性：

统一用国际制的单位

③同时（瞬时）性：

a与F总是同生同灭同变化

④矢量性：

a与F的方向总是相同

⑤牛顿运动定律的适应范围：

是对宏观、低速物体；

三、牛顿第二定律的应用

应用牛顿第二定律解题的一般步骤：

1．确定研究对象。

2．分析研究对象的受力情况，画出受力图。

3．建立直角坐标系，求出合力。

4．根据牛顿第二定律和运动学公式列方程求解。

例题1：

在平直路面上，质量为1100kg的汽车在进行研发的测试，当速度达到100km/h时取消动力，经过70s停了下来。

汽车受到的阻力是多少？

重新起步加速时牵引力为2000N，产生的加速度是多少？

假定试车过程中汽车受到的阻力不变。

分析：

如图，取消动力后，汽车在平直路面上只受阻力的作用。

由于阻力不变，根据牛顿第二定律，汽车在平直路面上运动的加速度将保持不变。

由加速度可以求出汽车受到的阻力。

如图，重新起步后，汽车在平直路面上受到牵引力和阻力。

由于二者大小都不变，所以汽车的加速度恒定不变。

根据牛顿第二定律可以求出汽车运动的加速度：

解：

以汽车为研究对象。

设汽车运动方向为x轴正方向，建立一维坐标系。

取消动力后，汽车做匀减速直线运动。

初速度v0＝100km/h＝27.8m/s，末速度为0，滑行时间t＝70s。

根据匀变速直线运动速度与时间的关系式，加速度为

汽车受到的阻力为

汽车受到的阻力是437N，方向与运动方向相反。

重新起步后，汽车所受的合力为

F合＝2000N－437N＝1563N

由牛顿第二定律可以得到汽车的加速度

重新起步产生的加速度是1.42m/s2，方向与运动方向相同。

例题2：

某同学在列车车厢的顶部用细线悬挂一个小球，在列车以某一加速度渐渐启动的过程中，细线就会偏过一定角度并相对车厢保持静止，通过测定偏角的大小就能确定列车的加速度如图所示。

在某次测定中，悬线与竖直方向的夹角为θ，求列车的加速度。

分析：

列车在加速行驶的过程中，小球始终与列车保持相对静止状态，所以，小球的加速度与列车的加速度相同。

对小球进行受力分析，根据力的合成法则求解合力。

再根据牛顿第二定律，求出小球的加速度，从而获得列车的加速度。

解：

方法1：

选择小球为研究对象。

设小球的质量为m，小球在竖直平面内受到重力mg、绳的拉力FT

如图所示。

在这两个力的作用下，小球产生水平方向的

加速度a。

这表明，FT与mg的合力方向水平向右，且

F＝mgtanθ

根据牛顿第二定律，小球具有的加速度为

方法2：

小球在水平方向上做匀加速直线运动，在竖直方向上处于平衡状态。

建立如图所示的直角坐标系。

将小球所受的拉力FT分解为水平方向的Fx和竖直方向的Fy。

在竖直方向有

Fy－mg＝0，Fy＝FTcosθ

FTcosθ＝mg

（1）

在水平方向有

Fx＝FTsinθ

FTsinθ＝ma

（2）

（1）

（2）式联立，可以求得小球的加速度为

a＝gtanθ

列车的加速度与小球相同，大小为gtanθ，方向水平向右。

科学漫步：

用动力学方法测质量

由牛顿第二定律F＝ma可知，如果给物体施加一个已知的力，并测得物体在这个力作用下的加速度，就可以求出物体的质量。

这就是动力学测量质量的方法。

出示图片：

太空中质量的测量

课堂练习

1．（2019•上海）在太空中测宇航员质量，测量仪器提供拉力、并测出宇航员的——————，根据———————————得出宇航员的质量。

答案：

加速度；牛顿第二定律

2．（2019春•海陵区校级月考）光滑水平面上的一个物体，质量为2kg，处于静止状态。

当它受到一个水平恒力作用后，在头2.0s内移动了8m。

那么，该物体受水平力作用之后的加速度大小为________m/s2，所受的水平恒力大小为________N。

答案：

4；8。

3．下面说法正确的是（）

A．物体（质量一定，下同）所受合外力越大，加速度越大；

B．物体所受合外力越大，速度越大；

C．物体在外力作用下做加速直线运动，当合外力逐渐减小时，物体的速度逐渐减小；

D．物体的加速度大小不变，物体一定受恒力作用。

答案：

A

4．下列说法中正确的是（）

A．在公式F=ma中，F、m、a三个量可以取不同单位制中的单位

B．作用力与反作用力等大、反向、共线，所以对其作用的某一物体作用效果可抵消；

C．牛顿运动定律是自然界最普遍的规律，因此可以用来精确描述高速运动电子（接近光速）的运动情况；

D．惯性和惯性定律不同，惯性是物体本身的固有属性，是无条件的，而惯性定律是在一定条件下物体运动所遵循的规律；

答案：

D

拓展提高

1．质量为0.4kg的小滑块置于粗糙水平地面上，在水平恒定拉力作用下由静止开始做匀加速直线运动，滑行6m时，小滑块的速度为6m/s，此时撤去拉力，又经3s停下。

该拉力的大小为（）

A．0.8N

B．1.2N

C．2N

D．2.8N

答案：

C

2．一物体放在水平地面上，物体与地面间的动摩擦因数为0.6，在水平拉力F=10N作用下从静止开始运动，其速度与位移满足等式v2=8x（其中v的单位为m/s，x的单位为m），g取10m/s2，则物体的质量为（）

A．0.5kg

B．0.4kg

C．0.8kg

D．1kg

答案：

D

学生思考讨论观察图片

学生归纳总结

牛顿第二定律的内容

理解掌握牛顿第二定律更一般的表述：

学生思考讨论

学生思考讨论

学生思考讨论

学生思考讨论

学生思考讨论

学生理解记忆

学生理解分析例题1

学生理解分析例题2

学生练习

让学生了解对于任何物体的加速度a与它所受的作用力F成正比，与它的质量m成反比。

都是成立的。

锻炼学生的归纳总结能力

加深学生对牛顿第二定律的理解

掌握力的单位的推导

掌握加速度a的方向与力F的方向是一致的。

掌握加速度与合外力存在着瞬时对应关系

掌握力和加速度的因果关系

进一步理解质量是惯性大小的唯一量度

掌握应用牛顿第二定律解题的一般步骤。

巩固运动学公式和牛顿第二定律的应用

掌握用平行四边形定则和正交分解两种解题拓展了学生的思路

巩固本节知识

课堂小结

1．内容：

物体加速度与合外力F合成正比，与质量m成反比，加速度方向与合外力方向相同。

F合=ma

2．利用牛顿定律解题步骤：

（1）确定研究对象。

（2）分析研究对象的受力情况，画出受力图。

（3）建立直角坐标系，求出合力。

（4）根据牛顿第二定律和运动学规律列方程并求解。

梳理自己本节所学知识进行交流

根据学生表述，查漏补缺，并有针对性地进行讲解补充。

板书设计

一、牛顿第二定律的表达式

1．物体的加速度跟所受的合力成正比，跟物体的质量成反比；加速度的方向跟合力的方向相同。

F合=kma

二、力的单位

1．力的单位：

F＝ma＝kg·m/s2读作：

千克米每二次方秒。

2．牛顿第二定律：

F合=kma

三、牛顿第二定律的应用

利用牛顿定律解题步骤

1．确定研究对象。

2．分析研究对象受力情况，考虑研究对象运动的状态变化情况、即有无加速度；

3．选取正方向或建立坐标系，通常以速度的方向为正方向。

4．根据牛顿第二定律和运动学公式列方程求解。