《探究向心力》說(shuō)課稿(全國(guó)實(shí)驗(yàn)說(shuō)課大賽獲獎(jiǎng)案例)

《探究向心力》說(shuō)課稿使用教材:人教版高中物理必修二?第五章第6節(jié)《向心力》一?教材分析(一)教材地位向心力?向心加速度是本章教學(xué)的重點(diǎn),具有承前啟后在作用?對(duì)前是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的延伸,對(duì)后是圓周運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用,以及為萬(wàn)有引力做知識(shí)儲(chǔ)備?(二)教材設(shè)計(jì)思路課本用向心加速度公式結(jié)合牛頓第二定律從理論推導(dǎo)向心力表達(dá)式,再利用課本實(shí)驗(yàn)——用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式,這個(gè)實(shí)驗(yàn)雖簡(jiǎn)單直觀,但是實(shí)際操作困難,物理量難測(cè)量?二?物理核心素養(yǎng)教師在教學(xué)過(guò)程中,應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng),設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生從事實(shí)經(jīng)驗(yàn)出發(fā),推理猜想,再用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,像科學(xué)家一樣思考,得出結(jié)論?(一)物理觀念:從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)?運(yùn)動(dòng)與相互作用?能量等的基本認(rèn)識(shí),是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華(二)科學(xué)思維:基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑?批判,進(jìn)而提出創(chuàng)造性見(jiàn)解的能力與品質(zhì)(三)實(shí)驗(yàn)探究:提出物理問(wèn)題,形成猜想和假設(shè),獲取和處理信息,基于證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋,以及對(duì)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流?評(píng)估?反思的能力(四)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任:在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì),理解科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境(STSE)的關(guān)系基礎(chǔ)上逐漸形成的對(duì)科學(xué)和技術(shù)應(yīng)有的正確態(tài)度以及責(zé)任感三?教學(xué)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(一)教學(xué)重點(diǎn)1.理解向心力的概念2.學(xué)生感受向心力和實(shí)驗(yàn)探究向心力的表達(dá)式(二)教學(xué)難點(diǎn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究向心力的表達(dá)式(三)教學(xué)對(duì)象分析1.學(xué)生知識(shí)層面:學(xué)生已經(jīng)學(xué)過(guò)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的概念以及描述勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物理量,從理論上推出了向心加速度的表達(dá)式,對(duì)數(shù)學(xué)的一次函數(shù)?二次函數(shù)關(guān)系已經(jīng)熟練掌握?學(xué)生可以運(yùn)用牛頓第二定律結(jié)合向心加速度公式,從理論上推導(dǎo)出向心力表達(dá)式2.學(xué)生能力層面:學(xué)生理解向心力是效果力,是指向圓心的合力;已經(jīng)掌握用EXECL軟件處理數(shù)據(jù),合理選擇變量,擬合圖像的方法,初步具備探究實(shí)驗(yàn)的能力(四)實(shí)驗(yàn)方法定性關(guān)系實(shí)驗(yàn):感受向心力定量關(guān)系實(shí)驗(yàn):自制創(chuàng)新教具——無(wú)線向心力測(cè)量?jī)x(圖1)圖11.控制變量法(1)控制小球質(zhì)量?半徑不變,探究向心力與角速度的關(guān)系?(2)控制小球質(zhì)量?角速度不變,探究向心力與半徑的關(guān)系?(3)控制小球角速度?半徑不變,探究向心力與質(zhì)量的關(guān)系?2.圖像法把數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī),用EXCEL分別作出F-ω2?F-r?F-m圖像,得出結(jié)論?3.驗(yàn)證法將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入向心力表達(dá)式F=mrω2計(jì)算出結(jié)果,理論值與測(cè)量值比較,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論,得出結(jié)果?四?實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)(一)興趣實(shí)驗(yàn)——感受向心力1.【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1)使學(xué)生初步認(rèn)識(shí)向心力與其影響因素之間的關(guān)系?(2)使學(xué)生通過(guò)控制變量法完成實(shí)驗(yàn)?2.【實(shí)驗(yàn)裝置】(圖2)圖23.【實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)】這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置比較簡(jiǎn)單,讓學(xué)生通過(guò)甩動(dòng)擺球,感受繩對(duì)手的拉力去體驗(yàn)向心力的大小?該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯,能很快讓學(xué)生得到定性地結(jié)論,在具體教學(xué)中,很好地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣?教學(xué)的第一要素,是激發(fā)學(xué)生的興趣,于是我設(shè)計(jì)了興趣實(shí)驗(yàn)“感受向心力”?教師引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)與猜想,小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力大小與什么因素有關(guān)?學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)猜想:向心力可能與半徑?質(zhì)量?角速度?線速度等有關(guān)系?看到學(xué)生的興趣被激發(fā)出來(lái),教師繼續(xù)提問(wèn):角速度?線速度?周期有什么關(guān)系?學(xué)生根據(jù)線速度公式可以推理出其關(guān)系,于是縮小研究范圍,討論F與m?r?ω?這4個(gè)物理量的關(guān)系?那么它們有什么樣的定量關(guān)系呢?目前討論向心力定量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)有這些,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究我發(fā)現(xiàn)它們存在以下不足:課本圓錐擺實(shí)驗(yàn)操作困難,物理量難測(cè)量?傳統(tǒng)的向心力儀器,只能粗測(cè),不夠精確?現(xiàn)在市面上最新?普及率最廣的郎威傳感器也存在以下不足:1?向心力間接測(cè)得,誤差大?2?只能生成F-ω圖像,不滿足多次控制變量的需求?3?數(shù)據(jù)圖像直接生成,沒(méi)有讓學(xué)生充分體驗(yàn)“過(guò)程學(xué)習(xí)”?為了解決以上不足,我自制創(chuàng)新教具——無(wú)線向心力測(cè)量?jī)x(圖3),突破教學(xué)難點(diǎn)?圖3無(wú)線向心力測(cè)量?jī)x,是一個(gè)可以直接測(cè)F和ω的儀器?無(wú)線向心力測(cè)量?jī)x各部分結(jié)構(gòu)介紹如圖4—11所示?圖4這是角速度儀,可以直接顯示角速度的大小,利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)式電機(jī)獲得穩(wěn)定的角速度,調(diào)節(jié)旋鈕,可以改變角速度的大小?外殼采用透明材料,讓學(xué)生清晰看到內(nèi)部構(gòu)造,激發(fā)學(xué)生的興趣?圖5這是測(cè)力計(jì),內(nèi)部安裝拉力傳感器,采用無(wú)線發(fā)射與接收的方式顯示向心力的大小?我設(shè)計(jì)了2種顯示力大小的方式,第一種?數(shù)字顯示?第二種?通過(guò)自編軟件,在電腦上顯示?顯示力的大小有2種方式:(圖6?7)圖6第1種:數(shù)字顯示圖7第2種:通過(guò)自編軟件,在電腦上顯示這是圓心(圖8),通過(guò)軌道上的標(biāo)尺可以讀出小球運(yùn)動(dòng)的半徑(圖9),改變線長(zhǎng),改變半徑(圖10),改變小球,改變質(zhì)量圖(11),小球的質(zhì)量可以用天平測(cè)量出,還有可以調(diào)節(jié)水平的水平儀?圖8圓心圖9讀半徑圖10改變線長(zhǎng),改變半徑圖11改變小球,改變質(zhì)量學(xué)生通過(guò)自制創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具可以測(cè)出實(shí)驗(yàn)所需要的物理量——F?m?r?ω(圖12)圖12(二)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)——無(wú)線向心力測(cè)量?jī)x1.【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?1)使學(xué)生探究向心力于其影響因素之間的定量關(guān)系?(2)使學(xué)生通過(guò)控制變量法?圖像法完成實(shí)驗(yàn)?2.【實(shí)驗(yàn)裝置】(圖13)圖13無(wú)線向心力測(cè)量?jī)x3.【實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)】教師自制教具簡(jiǎn)單直觀,該儀器可以直接顯示向心力和角速度的大小,并且讀數(shù)方便準(zhǔn)確,非常有說(shuō)服力?這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置滿足多次控制變量的要求,讓學(xué)生充分體驗(yàn)“過(guò)程學(xué)習(xí)”,并且通過(guò)科學(xué)探究過(guò)程,樹立科學(xué)探究意識(shí),掌握科學(xué)探究方法?教師引導(dǎo)學(xué)生用無(wú)線向心力測(cè)量?jī)x分組設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)方案,學(xué)生通過(guò)觀察討論,得到本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)方法:4.【實(shí)驗(yàn)方法】(1)控制變量法①控制m?r不變,討論F?ω關(guān)系?②控制m?ω不變,討論F?r關(guān)系?③控制ω?r不變,討論F?m關(guān)系?(2)圖象法:把數(shù)據(jù)輸入電腦,用EXCEL分別作出F-ω2?F-r?F-m圖像,得出結(jié)論?(3)驗(yàn)證法:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入F=mrω2計(jì)算,計(jì)算值與測(cè)量值比較,驗(yàn)證結(jié)論?下面我們來(lái)看一段學(xué)生實(shí)際操作的視頻(圖14)圖145.【實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理】如圖15?16?17所示(1)控制m?ω不變,探究F—r關(guān)系?(圖15)圖15實(shí)驗(yàn)結(jié)論:F與r成正比?(2)控制m?r不變,探究F—ω關(guān)系?(圖16)圖16學(xué)生通過(guò)觀察F—ω圖像,發(fā)現(xiàn)是一條拋物線,于是猜想F與ω2有關(guān)系,于是制出F—ω2圖像?(圖17)圖17實(shí)驗(yàn)結(jié)論:F與ω2成正比?(3)控制ω?r不變,探究F—m關(guān)系?(圖18)圖18實(shí)驗(yàn)結(jié)論:F與m成正比?6.【實(shí)驗(yàn)結(jié)論】——F與r?m?ω2成正比?通過(guò)控制變量法,學(xué)生得到了F-r?F-ω?F-ω2?F-m圖像?我們發(fā)現(xiàn),學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中,利用簡(jiǎn)單直觀的自制教具,收集分析數(shù)據(jù),選擇合理變量,擬合圖像?教師既讓學(xué)生感受到了“過(guò)程學(xué)習(xí)”的樂(lè)趣,又培養(yǎng)了學(xué)生自主探究,歸納總結(jié)的能力?突破了本節(jié)課的難點(diǎn),形成結(jié)論——F∝mrω2,寫成等式F=kmrω2教師引導(dǎo):k=?,能否用數(shù)據(jù)驗(yàn)證?學(xué)生把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入實(shí)驗(yàn)結(jié)論,比較測(cè)量值和計(jì)算值,發(fā)現(xiàn)2個(gè)值基本相等,即K=1,學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論F=mrω2?(圖19)圖19教師再引導(dǎo)學(xué)生用向心加速度公式結(jié)合牛頓第二定律,從理論上也得到向心力的表達(dá)式?進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的正確性?本節(jié)課到此,可能有些同學(xué)會(huì)思考:角速度