探究功與物體速度變化關(guān)系

7．6探究功與物體速度變化關(guān)系【教學(xué)目標(biāo)】一、知識與技能1、鞏固用打點計時器和紙帶測量物體運動速度的方法。2、為增強實驗的可靠性對實驗器材和方法實施控制的技能。3、用圖像法處理數(shù)據(jù)的技能。4、使用excel軟件處理數(shù)據(jù)的技能。二、過程與方法1、通過參與整個探究過程，體驗科學(xué)研究的方法和艱辛歷程。2、通過解決變力做功問題，體會科學(xué)方法的精妙。3、通過excel軟件的使用，再一次體會計算機技術(shù)在輔助實驗方面的巨大作用。三、情感態(tài)度與價值觀通過探究過程激發(fā)學(xué)生求知欲和學(xué)習(xí)興趣，享受成功的樂趣，體會物理學(xué)研究的科學(xué)性?！窘虒W(xué)重點】1、再次體會功和能量變化關(guān)系。2、實驗方案的制定和實施。3、數(shù)據(jù)的圖像處理?！窘虒W(xué)難點】1、橡皮筋的彈力做功的處理。2、數(shù)據(jù)的處理?！窘虒W(xué)方法】師生、生生討論互動的方法?！窘叹邷?zhǔn)備】長木板（側(cè)面分別釘上兩個釘子）、小車、打點計時器（包括紙帶、復(fù)寫紙、電源和導(dǎo)線）、橡皮筋若干條、直尺、計算機（裝有excel軟件）

【課時安排】2課時（第一節(jié)設(shè)計實驗方案，第二節(jié)做實驗與處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論）

【教學(xué)過程】一、復(fù)習(xí)并引入新課

師提問：到現(xiàn)在為止，我們已經(jīng)定量研究了哪幾種能量？它們都是怎樣得出表達(dá)式的？它們與對應(yīng)力的功有什么關(guān)系？師：對于勢能的討論我們先告一段落，從本節(jié)課開始我們要討論動能，要得出動能的表達(dá)式和它滿足的規(guī)律。師提問：第一節(jié)中是怎樣給動能下的定義？師：動能是與物體的運動有關(guān)的能量，而且按照我們已經(jīng)使用過的研究思路，要得出動能的表達(dá)式，必然也是通過探究某個力的功得出，因此本節(jié)課就通過實驗探究功與物體速度變化的關(guān)系，今天我們一起討論建立實驗方案，下節(jié)課分組實驗。板書：第6節(jié)：探究功與物體速度變化關(guān)系

二、新課教學(xué)師提問：我們得出重力勢能表達(dá)式是通過探究重力做功得出的，得出彈性勢能表達(dá)式是通過探究彈力做功得出的，那么標(biāo)題中要探究的功是什么力的功？為什么？教師引導(dǎo)他們說出理由，并由其他同學(xué)點評，最后形成統(tǒng)一認(rèn)識：是合力功，因為合力決定了加速度，加速度是跟速度變化有關(guān)的。師提問：求速度變化，要先測出速度，我們最熟悉的實驗室中測速度的方法是什么？打點計時器師提問：那么請設(shè)計出一個實驗方案，能夠探究合力的功與物體速度變化的關(guān)系，先說需要什么器材，在說明怎樣安裝器材。經(jīng)過討論、歸納、整理得出如圖所示實驗方案。師：下面我們分別解決以下幾個問題教師板書：怎樣求合力功怎樣求速度改變量師提問：怎樣求小車受的合力？（1）引導(dǎo)出要甩掉摩擦力這個麻煩，只讓繩拉力為合外力，該怎么辦？逐步引導(dǎo)出平衡摩擦力，怎樣平衡，怎樣判斷出角度是否合適。（2）拉力的大小怎么辦？是否就等于鉤碼重力，經(jīng)過討論或者推導(dǎo)證明得出拉力小于鉤碼重力，雖然可以計算出拉力大小，但為了減輕實驗負(fù)擔(dān)，就近似認(rèn)為鉤碼重力等于繩子拉力，條件是鉤碼質(zhì)量遠(yuǎn)小于小車質(zhì)量。師提問：怎樣得出位移？引出在紙帶上確定始、末兩點，用尺子測量出位移大小。師提問：怎樣確定始、末速度？引導(dǎo)得出用中間時刻瞬時速度等于全程的平均速度得出。師：剛才設(shè)計出的方案涉及到的問題我們在必修1中已經(jīng)解決，現(xiàn)在想用如圖所示的方案探究合力功與小車速度變化關(guān)系，以上問題如何解決？（1）引導(dǎo)出為使橡皮筋拉力成為合力，平衡摩擦力的方法與前面一樣。（2）拉力大小如何確定？有些學(xué)生指出皮筋的勁度可以測出，再由形變量得出拉力，再求合力，引導(dǎo)提問：目的是求拉力還是求拉力的功？發(fā)現(xiàn)拉力為變力，求功不好求。引導(dǎo)上節(jié)課彈簧彈力也是變力，但我們成功地求出了功，求皮筋這個變力的功能使用彈簧變力功的方法嗎？學(xué)生回答能用除以2求平均力或者分割、求和、逼近的微積分方法。教師引導(dǎo)提問：彈簧變力的功之所以能用上述方法是因為勁度k恒定，拉力F與形變量L成正比，或說拉力F隨形變量L的變化均勻增大，橡皮筋有這個特點嗎？即勁度k恒定不恒定？學(xué)生回答不出可引導(dǎo)：化學(xué)實驗中的膠皮管或者醫(yī)用膠皮管（靜脈取血）拉長后有什么變化？學(xué)生能回答出變細(xì)了，逐步引導(dǎo)出勁度系數(shù)變化了。（3）拉力是變力，而且勁度系數(shù)也變，怎樣變也不知，彈簧變力功的方法用不了了（畫不出F-L圖像），那怎么求皮筋做的功？由于教師一直在問怎樣求皮筋這個變力的功，學(xué)生的思維一定沿著要求出功的方向，因此至此陷入困境。師：我們在探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系時用過一種方法，不需要求出加速度具體值，也不需要求出力的具體值，只要知道兩次實驗中力的比值和加速度的比值，就可以得出加速度與力的關(guān)系?，F(xiàn)在我們要討論功與速度變化的關(guān)系，能用類似的辦法嗎？若學(xué)生仍沒有受到啟發(fā)？接著引導(dǎo)：非要算出功的具體值嗎？再用實物引導(dǎo)，展示并說明：“有許多條相同的橡皮筋”若學(xué)生還是不能提出正確方案，可以直接告知：“如果我們做兩次實驗，知道這兩次實驗中功的倍數(shù)關(guān)系，還知道兩次實驗中速度的倍數(shù)關(guān)系，不也可以看出功與速度變化的關(guān)系嗎？”進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生得出：“第一次用一條橡皮筋，第二次用兩條橡皮筋……”師：這種巧妙的方法在物理學(xué)史上是有先例的……（用幾句話簡單介紹庫侖如何解決電量大小的問題的。

師：功的問題已經(jīng)解決，那么初位置與初速度，末位置與末速度的問題呢？師提問：還能不能從紙帶上任意找兩個點作為初、末位置呢？若學(xué)生做不出判斷可進(jìn)一步問：關(guān)鍵是找到的這兩點的速度怎樣得出，還能用中間時刻瞬時速度等于全程的平均速度的方法得出嗎？學(xué)生很自然地發(fā)現(xiàn)是變加速，此法不通。再進(jìn)一步問那應(yīng)該怎樣選始末點，學(xué)生容易確定初始點選在頭一個點好，因為這樣初速為零，但對終了點不能確定，教師引導(dǎo)提問：小車加速過程中皮筋伸長量逐漸恢復(fù)，到原長后小車如何運動？學(xué)生容易答出勻速，紙帶上點間隔均勻，從而可用點間距除以時間間隔得到勻速速度，從而解決末速度問題（末位置無所謂，反正也用不上位移，關(guān)鍵是末速度）師：解決了以上的實驗原理問題，在做實驗以前，大家再討論：為提高實驗的準(zhǔn)確性，實驗中要注意什么？學(xué)生發(fā)表許多意見，老師注意引導(dǎo)大家自評、互評得出大家都同意的幾點，如對橡皮筋的要求：各條橡皮筋保證完全一樣，且勁度系數(shù)適當(dāng)，實驗時還不能超過彈性限度。對小車每次釋放的位置要一樣等。師：若實驗總共做6次，得到（W、v1）（2W、v2）（3W、v3）……怎樣處理這些數(shù)據(jù)，從而得到結(jié)論呢？引導(dǎo)得出用圖像法好，可進(jìn)一步問畫什么圖？學(xué)生很容易回答出W-v圖，追問若是直線是什么意思？W與v成正比。曲線是什么意思？學(xué)生幾乎都回答拋物線，得出W與v2正比（因為學(xué)生接觸過的曲線基本上只有拋物線，所以容易以偏蓋全）可直接告知曲線不一定都是拋物線，即W不一定與v2成正比，即由曲線是得不出結(jié)論的，引導(dǎo)出要多畫出幾種如W-v2關(guān)系圖，W-v3關(guān)系圖，W-關(guān)系圖等，用嘗試法尋找結(jié)論。師：圖像自己用坐標(biāo)紙畫嗎？學(xué)生容易得出用excel軟件，因為在必修1時用過，教師可用以前的數(shù)據(jù)組織學(xué)生復(fù)習(xí)用excel作圖的方法。設(shè)計合理的實驗步驟：A.先將木板置于水平桌面，然后在釘有鋼釘?shù)拈L木板上，放好實驗小車。B.把打點計時器固定在木板的一端，將紙帶穿過打點計時器的限位孔，紙帶一端夾緊在小車的后端，打點計時器接電源。C.使木板略微傾斜，調(diào)節(jié)木板的傾角，測量紙帶點距直到相等，表明恰好平衡摩擦力。D.過兩釘中垂線上的適當(dāng)位置作兩釘?shù)钠叫芯€，交中垂線于A點，作為小車每次運動的起始點。E.使用一根橡皮筋時，將小車的前（或后）端拉到A點，接通電源，打點計時器打點，釋放小車，小車離開木板前適時使小車制動，斷開電源，取下紙帶。重復(fù)本項前面的過程，選出清晰的紙帶。記下點距相等后t=的位移m，求出小車獲得的速度v=10m/s。F.換用同樣材料、粗細(xì)、長度的兩根、三根、…六根橡皮筋，依照D項的方法，分別進(jìn)行實驗。記下各次實驗中點距相等后t=的位移m,求出小車分別獲得的速度m/s。G.以功為縱軸（用第一次橡皮筋做的功為縱軸的單位長度），以速度為橫軸（可以用適當(dāng)?shù)乃俣戎禐閱挝婚L度，也可以用第一次小車的速度為橫軸的單位長度），建立坐標(biāo)系，用描點法作出圖像，看看是否是正比例圖像，若不是，功與速度的哪種相關(guān)量（的變化量）是正比的，功就與速度的這種相關(guān)量（的變化量）具有確定的函數(shù)關(guān)系。三、課堂小結(jié)師：以實驗的預(yù)習(xí)過程可以形成提綱式筆記板書：1、要探究的是合力的功與速度變化的關(guān)