感知與測量音速創(chuàng)新實驗及教學(xué)設(shè)計

感知與測量音速（說課稿）使用教材及學(xué)情分析（一）使用教材本節(jié)實驗創(chuàng)新課源自：教育科學(xué)出版社2013版八年級物理上冊第三章第一節(jié)《認識聲現(xiàn)象》，本節(jié)內(nèi)容主要講述了聲音的產(chǎn)生、傳播、以及聲音在各介質(zhì)中的速度等內(nèi)容。同時教材還通過討論交流：《聲的傳播有多快》如圖1所示，力求通過觀察、實驗和學(xué)生已有的感性知識，使學(xué)生對聲音在空氣中的聲速有直觀的感受。（圖1）（二）學(xué)情分析 八年級的學(xué)生在小學(xué)科學(xué)里已經(jīng)接觸過簡單電路的一些知識，聲光控延時燈在生活中的接觸也讓其對聲控?zé)舻狞c亮有了感性認識。同時他們已經(jīng)開始學(xué)習(xí)科學(xué)的探究方法，他們對科學(xué)現(xiàn)象有很大的好奇心。系統(tǒng)化的培養(yǎng)其科學(xué)思維與動手實踐的能力十分重要。所以開展感知與測量音速的實踐活動就是深刻的學(xué)習(xí)過程。驅(qū)動問題/實驗器材（一）驅(qū)動問題空氣中的音速究竟有多快呢？教材中百米賽跑中的計時問題引發(fā)了學(xué)生對何時開始計時的疑惑，同時隨著國內(nèi)外形勢的變化，學(xué)生也非常關(guān)注我國第五代隱身戰(zhàn)機殲20，該戰(zhàn)機是超音速戰(zhàn)機，比340m/s這個冰冷的數(shù)字，讓學(xué)生親身感受尤為重要，故本實驗的驅(qū)動問題被提出：感知與測量音速。（二）靈感來源聲光控延時燈就是學(xué)生在日常生活場景中能體驗到的，在學(xué)生所在的住宅小區(qū)、學(xué)校教學(xué)樓均能見到其身影。特別是某些較長的過道里有數(shù)個聲控?zé)?，當響度達到一定閾值后即可激發(fā)。試想當聲控?zé)魯?shù)量足夠時我們便可通過聲控?zé)舻闹饌€激活來感知音速。（三）實驗器材 1.220V實驗器材百米電線、百米PVC管道、聲光控延時底座若干、LED5w燈泡若干、220V戶外電（也可使用家庭電路）、聲源（發(fā)令槍）、計時器（如圖2所示）（圖2） 2.12V安全電壓實驗器材18650三節(jié)電池串聯(lián)電源（12V）、遙控開關(guān)1拖12（12V）、聲光控控制模塊、智能聲控模塊（12V）、12V3wLED燈、毫秒計時器（5-36V通道計時，斷電停止計時。計時分度值0.01s）如圖3所示。（圖3）三、實驗創(chuàng)新要點/改進要點1.感知音速：通過將多個聲光控延時燈等距接入百米電路中，通過發(fā)出聲響將聲光控延時燈逐個激活來感知空氣中的音速大小。2.測量音速：通過將聲光控延時燈激活的全過程進行錄像，通過錄像觀察法慢放視頻得知在已知距離上聲音傳播的時間，通過v=s/t測量出空氣中的聲速。3.毫秒計時器的引入：通過改進實驗電路引入毫米計時器來測量聲音在兩聲控?zé)糁械膫鞑r間來直接測量音速，毫秒計時器配合電路創(chuàng)新可以極大地減少時間測量誤差。4.遙控器的引入：為了在12V獨立電源控制設(shè)備上實現(xiàn)對通斷電的控制，為每個聲光控模組進行了遙控開關(guān)的引入。5.模塊化設(shè)計：12V實驗裝置內(nèi)部的電源、遙控開關(guān)、聲控開關(guān)等均進行了模塊化連接，可實現(xiàn)隨時更替與新功能模組的嵌入。四、實驗原理/實驗設(shè)計思路感知音速實驗原理：將聲光控延時燈逐個等距地接入電路，當聲波傳播時聲光控延時燈將被逐個激活。通過延長電路及增加聲控?zé)魯?shù)量放大實驗效果，從而可從感官上感受空氣中的音速快慢。原理圖如圖4所示。（圖4）測量音速實驗原理：基本原理使用時差法測量速度，通過錄像慢放法在v=s/t實驗原理基礎(chǔ)上測量空氣中的音速。實驗創(chuàng)新部分：時差法需要測量聲音傳播的距離與時間。人工測量時間顯然誤差極大，而錄像觀察法需要對拍攝硬件要求極高（成本極高）。本實驗最終指向測量時間誤差的問題，通過引入工業(yè)級毫秒計時器，其工作特點是通電時計時，斷電時停止計時,通過學(xué)生在九年級時設(shè)計電路改進該實驗。時間測量原理圖如圖5所示。（圖5）A裝置距離B裝置7m，當使用者在A端發(fā)出>50dB聲響時即觸發(fā)計時器A工作，觸發(fā)時刻為t1。當聲波傳到B裝置時即可觸發(fā)計時器B工作，觸發(fā)時刻為t2，此時聲波在7m間距上傳播時間為t2-t1。當斷開該電路電源時兩計時器分別在t3時刻停止計時，此時兩計時器顯示的時間則分別為t3-t1、t3-t2將兩時間作差即可得到聲波在7m距離上的傳播時間t，根據(jù)速度等于路程除以時間的原理即可求得聲速。根據(jù)實驗原理v=s/t，在該裝置條件下為：v=7m/(t3-t1)-(t3-t2)。12V實驗裝置創(chuàng)新部分：獨立安全電壓電源可實現(xiàn)各個聲控?zé)糸g距可調(diào)，引入遙控控制可實現(xiàn)所有聲控?zé)魯嚯姇r刻t3相同。內(nèi)部模塊化設(shè)計便于更換聲控模組，如將響度激活開關(guān)更換為特定語音指令激活，增加實驗過程中的趣味性。五、實驗教學(xué)目標（一）側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生物理觀念中運動觀念的形成，掌握速度公式在本實驗中的應(yīng)用。（二）從科學(xué)思維上培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理、科學(xué)論證的能力，特別是重視從證據(jù)出發(fā)發(fā)現(xiàn)問題的能力。（三）掌握科學(xué)探究的一般方法，重視與他人的交流與合作。（四）培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，培養(yǎng)其對實驗中生成問題的持續(xù)探究精神。實驗教學(xué)內(nèi)容通過聲光控?zé)粼淼幕窘榻B，學(xué)習(xí)小組進行實驗裝置的制作與連接。實驗活動：感知與測量音速。測量音速基本原理：v=s/t，實踐減小誤差方法。誤差分析與實驗改進、利用手機等設(shè)備錄像后慢回放解決測量時間的難題。通過利用毫秒計時器與電路設(shè)計改進實驗裝置。實驗教學(xué)過程課前任務(wù)環(huán)節(jié)課前任務(wù)一：復(fù)習(xí)聲音傳播的條件、速度公式（準備本課的前置背景知識）課前任務(wù)二：思考百米賽跑中計時員應(yīng)當在聽到發(fā)令槍聲時開始計時，還是看到發(fā)令槍冒煙時開始計時？課中環(huán)節(jié)-驅(qū)動問題的生成教師通過對百米賽跑問題答案的收集，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對該問題的認識上已經(jīng)形成了疑惑并形成了認知沖突，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。利用學(xué)生的認知沖突提出本項目化學(xué)習(xí)的驅(qū)動性問題：感知與測量音速。課中環(huán)節(jié)-實驗靈感教師引導(dǎo)學(xué)生從身邊常見的聲光控延時燈中獲取實驗創(chuàng)意：將聲光控延時燈逐個等距接入電路中，當聲波傳播時，聲光控延時燈將被逐個激活。師生則可通過聲光控延時燈的逐個點亮來感知音速。課中環(huán)節(jié)-小組實踐活動連接簡單電路在學(xué)生小學(xué)科學(xué)里已具備的簡單電路知識背景下，組織學(xué)習(xí)分小組完成一些電路連接上的活動，該過程在斷電下進行，如圖6所示。（圖6）預(yù)判實驗問題，并提出解決方案在本環(huán)節(jié)中學(xué)生可預(yù)判如：器材收納問題、聲音隨距離衰減問題、實驗持續(xù)時間過短等預(yù)判問題，并組織學(xué)生進行預(yù)案設(shè)置：利用按壓式接線頭將燈與線分開進行收奶、利用管道傳聲減小聲音的衰減以便激活所有聲控?zé)?、延長電路與聲控?zé)魯?shù)量以增加實驗持續(xù)時間。（五）課中環(huán)節(jié)–學(xué)生實踐活動：感知與測量聲速 1.組織學(xué)生對實驗安全問題進行講解。 本實驗用戶外電源代替220V家庭電路進行實驗、設(shè)置實驗安全區(qū)域、組織學(xué)習(xí)小組長進行現(xiàn)場管理。對實驗記錄單進行介紹，各學(xué)習(xí)小組進行分工協(xié)助，實驗記錄單如圖7所示。（圖7）組織學(xué)生進行戶外實驗，如圖8所示。首先由教師演示，全體學(xué)生通過聲控?zé)舻闹饌€點亮來感知音速的大小，并記錄實驗現(xiàn)象。分小組進行聲音速度的測量，利用實驗原理v=s/t進行。（圖8）各學(xué)習(xí)小組分批多次通過v=s/t，進行音速大小的測量，并由教師提供測量時的氣溫。本過程利用電子停表進行聲音傳播時間的測量，該過程站在學(xué)生已有速度知識的背景下完成，并記錄多組數(shù)據(jù)。（六）課中環(huán)節(jié)–交流分享與誤差分析1.組織學(xué)生對所測音速進行問題與經(jīng)驗交流分享。2.誤差分析：人工計時的誤差極大，采用錄像觀察法慢放后估測出聲音傳播的時間，解決方案采用240幀每秒的高速攝像機或毫米計時器完成時間測量。第二是聲控?zé)舻目臻g分辨率不足，無法提高測量精度，可采用更多燈泡，更密集等距接入形式。3.課中生成的問題： 通過學(xué)生發(fā)言總結(jié)出本實驗的三個生成問題：220V電壓的安全性問題、實驗器材的收納問題、錄像觀察法無法現(xiàn)場得出音速的問題。 通過師生探討針對以上問題可采用36V安全電壓，獨立電源將聲控?zé)魺o連線完成。（七）課后任務(wù)–科學(xué)社團時間完成12V實驗裝置的改造（圖9所示）（圖9） （八）課堂小結(jié) 1.通過轉(zhuǎn)換法，利用多個等距聲控?zé)舻闹饌€點亮完成了感知空氣中音速的實驗?zāi)康摹?2.通過減小誤差的方法，主要利用了錄像觀察法完成了本校在14℃空氣中音速約為320m/s。 3.遺留一個問題：如何利用毫米計時器改進測量時間的難題。 （九）九年級后續(xù)任務(wù) 1.利用毫秒計時器結(jié)合電路設(shè)計知識改進該實驗，完成測量聲音傳播時間的難題。 毫秒計時器工作特點：通電開始計時、斷電停止計時。組織學(xué)生課中進行電路設(shè)計，并形成實驗原理圖。利用新12V實驗設(shè)備進行空氣中音速的測量。（如圖10所示）（圖10）實驗效果評價本實驗所用器材均為生活中的常見物品，同時實驗原理清晰明了，即有對速度公式的應(yīng)用，又可聯(lián)系到學(xué)生升入九年級時利用電路設(shè)計改進實驗誤差，前后知識有聯(lián)系。另外實驗本身實現(xiàn)了視覺沖擊，讓學(xué)生對利用轉(zhuǎn)換法去感知世界有了深刻的感受，物理知識如何應(yīng)用于生活也有了具體案例。同時實驗中所遇問題均是實驗創(chuàng)新及拓展點