探究功與物體速度變化的關系教學設計.doc

“探究功與物體速度變化的關系”教學設計浙江省杭州外國語學校 蔡錦曦 選自中學物理教學參考2008年第10期一教學設計思路（1）做功與物體速度變化關系的建立，為學生后續(xù)學習動能定理起到了非常重要的鋪墊作用。學生在生活中易感受力對速度變化的影響，但對做功與速度變化之間的關系比較模糊。本節(jié)通過學生設計探究實驗方案，師生互動研究改進方案，學生親歷實驗探究過程，對實驗數(shù)據(jù)進行層層推進式分析，從而得到結果，使學生體驗學習樂趣和戰(zhàn)勝困難、解決問題的成功感。（2）人教版新教材列入此探究課題是為了使學生了解“倍增法”這種物理方法，在高二學習“庫侖定律”時該方法還將出現(xiàn)，所以探究過程也是對學生物理思想方法的教育過程。（3）通過探究式教學，訓練學生掌握相互交流、合作的學習方式；在學習過程中鼓勵學生大膽提出設想，在其他學生的參與下對實驗方案提出質疑和改進建議，提高其參與意識；通過實驗數(shù)據(jù)分析得到結果，也使學生體會實驗在科學探究中的重要性，增強其探索意識。二教學目標1知識與技能（1）能夠通過生活具體事例發(fā)現(xiàn)做功與物體速度變化之間存在一定的關系；（2）能夠設計具有可操作性的實驗方案，對做功與物體速度變化之間的關系進行研究；（3）運用不同的實驗方法進行研究，能對實驗數(shù)據(jù)進行合理分析（數(shù)值和圖象），得出正確的結論。2過程與方法（1）用紙帶、打點計時器、橡皮筋等探究做功與物體速度變化的關系，體驗知識的探究過程和物理學研究方法；（2）注重實驗探究方案設計的思考與改進過程。3情感態(tài)度與價值觀（1）能以積極的情感和認真的態(tài)度學會探究物理問題的科學方法；（2）體會學習的快樂，激發(fā)學習興趣；通過親身實踐樹立“實踐是檢驗真理的唯一標準”的科學理念。三教學重點和難點1教學重點探究做功和物體速度變化關系的物理方法的提出與改進。2教學難點對“倍增法”的理解及實驗數(shù)據(jù)的處理與分析。四教學資源1教學硬件筆記本電腦，大屏幕顯示器，實物投影儀。2教學軟件PowerPoint，Excel。3實驗儀器鐵架臺1個，重錘1只，滑軌2個，小車2個，打點計時器3個，鉤碼1盒，氣墊導軌（帶滑塊）1套，光電門計數(shù)器1個，托盤天平（帶砝碼）1套，橡皮筋若干，紙帶若干。4教學輔助圖紙實驗設計圖紙，實驗數(shù)據(jù)圖表。五教學流程圖六教學過程1課題引入給出鉛球運動員圖片（如圖1所示）。問題1：鉛球出手時的速度是如何獲得的？給出擲鉛球的動作分解示意圖（如圖2所示），讓學生注意觀察。引導學生通過圖片，得出“鉛球速度變化與人手對其做功有關”的結論。問題2：你是否還能想到實際生活中，做功改變物體速度的其他例子？以學生回答為基礎，教師分析總結：對物體做功可以改變物體的速度；做功與物體速度變化之間的關系，是本節(jié)課的探究主題。2實驗方案的設計與探究學生分組進行實驗方案設計，然后進行方案的展示與交流，通過師生互動對學生方案加以改進。學生可能提出一些不同于教材中橡皮筋做功的實驗方案，尤其容易從恒力做功的角度去思考。說明：事先發(fā)給每組一張實驗設計圖紙，讓學生將自己設計的實驗方案在圖紙上畫出來；再請各組派出代表，利用實物投影儀展示實驗設計方案，并予以說明，請其他學生對方案可行性進行研究，提出改進意見。實驗方案1：利用自由落體實驗探究重力（豎直方向恒力）做功與物體速度變化之間的關系。注意學生對該方案中功和速度的確定方法：（1）選取打點計時器在紙帶上打出的一系列點中的某幾點，測出它們與紙帶上第一點之間的距離，即重力方向上的位移，與重物的重力相乘可得重力做功值。（2）通過分析紙帶上的點求得物體速度。（3）當物體初速度為零時，實際探究的內容是功與物體速度之間的關系。實驗方案2：利用鉤碼通過定滑輪連接細繩拉動水平滑軌上的小車，研究水平方向恒力做功與物體速度變化之間的關系。實驗方案的研究與改進：（1）鉤碼與小車一起做加速運動，鉤碼在豎直方向具有向下的加速度，此時細繩拉力略小于鉤碼重力；增加小車質量，當鉤碼質量遠小于小車時，細繩拉力可認為等于鉤碼的重力。（2）小車與軌道之間的摩擦力阻礙拉力對小車做功，應消除此摩擦的影響。為此，用小車重力沿斜面方向的分力來平衡摩擦力：將放有打點計時器的滑軌一端墊高，在小車尾部固定一條紙帶，輕推小車使小車沿滑軌向下運動；若紙帶打出的點距均勻，則說明紙帶的運動是勻速的，小車重力沿斜面方向的分力就剛好與小車所受摩擦力平衡。說明：使用滑軌、小車和打點計時器等對此問題進行展示研究，讓學生對克服摩擦力做功的過程有一直觀的認識。教師需提醒學生：變力做功是生活中常見的做功方式，因此探究變力做功必不可少。實驗方案3：利用橡皮筋拉動位于水平滑軌上的小車，探究變力做功與物體速度變化之間的關系。（1）實驗探究中橡皮筋拉力對小車所做功的確定方法：實驗中用橡皮筋彈力拉小車做功使小車獲得速度，橡皮筋彈力是變力，所做功是變力功，中學沒有現(xiàn)成公式可計算功的大小。然而，改變橡皮筋條數(shù)、保持小車相同的位移，則彈力功的大小與橡皮筋條數(shù)成正比。也就是說，在相同位移的情況下，若用一條橡皮筋做功為W，則用兩條同樣的橡皮筋做功就是2W，用同樣的三條橡皮筋做功就是3W這一倍增法巧妙地避開了功的計算，直接確定了橡皮筋拉力對小車做功的倍數(shù)關系。說明：“倍增法”是一種重要的物理方法，歷史上庫侖在研究電荷間的相互作用力時曾用過此法，但學生在此前的物理學習中可能未曾遇到類似例子，因此引導學生通過交流，領會“倍增法”的妙處，這是本節(jié)課的一個要點可用體育鍛煉中的“拉力器”來類比。（2）該方案消除摩擦力影響的方法：所用的消除方法與實驗方案2一樣。也可使用氣墊導軌代替木板，以更好地消除摩擦影響。（3）小車速度的確定方法：確定打出來的點大致呈現(xiàn)什么規(guī)律：先密后疏（變加速），再均勻分布（勻速）；應研究小車在哪個時刻的速度：在橡皮筋剛恢復原長時小車的瞬時速度，即紙帶上的點剛開始呈現(xiàn)均勻分布時的速度；應如何取紙帶上的點距以確定速度：由于實驗器材和每次操作的分散性，尤其是橡皮筋不可能長度、粗細完全一致，使得每次改變橡皮筋的條數(shù)后，紙帶上反映小車勻速運動的點數(shù)和點的位置，不一定都在事先的設定點（即用一條橡皮筋拉小車，橡皮筋剛好恢復原長時紙帶上的點）處。這是由于小車在幾條橡皮筋拉動下運動至設定點時，各條橡皮筋可能在設定點的前或后恢復到原長，從而出現(xiàn)上述情況。因此，需要對紙帶上的點進行分析，比較設定點左右及其之后的若干個相鄰兩點間距是否基本相同，選擇相鄰距離基本相同的若干點作為小車勻速運動階段的點，進而計算小車速度。利用光電門配合氣墊導軌，可更準確地測出速度值所以可對方案3進行改進，由“滑軌小車打點計時器”變?yōu)椤皻鈮|導軌滑塊光電門”。說明：以師生問答的形式進行。提醒學生注意，對于初速度為零的運動，探究內容實質上是指做功與物體的速度之間的關系。3實驗操作根據(jù)經過改進的實驗探究方案，讓每組學生選用各自所需的實驗器材進行實驗。說明：若橡皮筋彈性較大，則研究變力做功一旦使用條數(shù)較多，就會造成小車加速太快、在紙帶上打出的點偏少，不利于數(shù)據(jù)得出，因此建議選用直徑較小、彈性也較小的相同橡皮筋。4實驗數(shù)據(jù)分析事先發(fā)給每組學生一張實驗數(shù)據(jù)圖表，讓學生將通過實驗得到的相關數(shù)據(jù)（W和v）填寫到表格上，再選兩組學生數(shù)據(jù)輸入電腦的Excel表格中。例如某一次變力做功的實驗數(shù)據(jù)為：v/ms-1W的倍數(shù)001.15411.63022.00032.30842.58652.8306說明：利用電腦展現(xiàn)Excel表格。問題1：W與v之間是怎樣的變化關系？問題2：可否認為W與v之間是簡單的正比關系（Wv）？應該使用什么方法來驗證你的猜想？引導學生發(fā)現(xiàn)W與v并非簡單正比關系。問題3：若W與v不是簡單正比關系，則可采用什么方法來進一步研究它們的關系？讓各組學生在圖3的坐標紙上描點作圖，研究W-v圖象的規(guī)律。對坐標紙上的點進行擬合，發(fā)現(xiàn)W-v圖象是一條拋物線，如圖4所示。問題4：拋物線圖象說明了什么問題？你對W-v關系有何新的猜想？學生根據(jù)圖象會想到W和v2之間可能是正比關系；讓各組學生根據(jù)已有數(shù)據(jù)算出v2的值，再在圖5的坐標紙上做出W