实验探究功与速度变化的关系说课稿

7.6实验：探究功与速度变化的关系一、 教材分析与学情分析（一）教材分析本节是人教版普通高中课程标准实验教科书物理必修2第七章第六节的内容，通过前面几节内容的学习，学生已经建立了重力势能、弹性势能的概念，知道了重力做功、弹力做功与重力势能、弹性势能之间的关系。本节内容是前面两节内容的继续，用做功与能量的关系探索另一种能量及其表达式：动能。由于动能的问题比势能复杂些，所以本节暂不直接涉及动能，而是先找到一个与动能密切相关的物理量-速度，先研究速度与功的关系。本节内容的主要目的是给学生增加实验探究与体验的机会，培养学生实验探究的能力，提高学生理论联系实际的水平。本节内容是寻求动能表达式的实验探究过程，下节内容（动能和动能定理）是寻求动能表达式的理论探究过程，本节内容的实验探究为下节内容的理论探究奠定了一个实践认识基础，起到很好的铺垫作用，前后两节内容共同构成了一个较为完整的体系。通过这两节课的学习，有利于培养和发展学生的课题意识和实验探究能力。本节我准备用两课时完成，第一课时，通过师生间的互动与共同探究，结合适当演示的方式解决实验的设计思路问题，探讨操作技巧问题和数据处理问题，使学生对探究过程有一个初步的认识。第二课时，以学生的实际操作为主，学生分组进行实验，教师巡回指导，对实验中出现的各种问题进行总结并通过讨论予以解决，得出结论。（二）学情分析本节内容是一节实验探究课，实验探究学生以前有所接触，如物理必修一中的“探究小车速度随时间变化的规律”与“探究加速度与力、质量的关系”。通过以前这一类探究实验的学习，学生已经具有一定的实验方案设计能力、实验动手操作能力及实验数据处理的能力。尤其是纸带的处理已接触多次，平衡摩擦力的必要性及基本方法学生也已了解，至于图线处理时从关系不明的曲线通过改变坐标量转化为关系较明朗的直线的方法在“探究加速度与力、质量的关系”中也曾接触，学生有一定的基础，但还是有一定的思维和操作难度，教学中应注意合理的启发。另外，以前接触的力都是恒力，而这一节牵涉到变力问题，这又是一个思维台阶，应通过对话启发学生理解感悟将做功增倍代替求具体功数值的巧妙之处。二、 实验介绍（一）实验目的：本实验的实验目的是探究功与速度的变化关系。我们知道，功是力在空间上的积累效应，是一个过程量，而速度是一个状态量，速度变化才是过程量，所以我们必须向学生交代清楚这一点，并指明当我们研究力对原来静止的物体做功时，速度变化的大小与物体获得的速度在数值上是相同的。于是我们的实验目的为探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系。（二）实验器材：我们所需要的实验器材有：长木板、橡皮筋、小车、砝码、交流电源、电火花或电磁打点计时器、纸带、刻度尺、坐标纸 （三）实验原理：由于我们要探究力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，所以我们要想办法来测量出功与速度的数值，进而研究它们之间的关系。通过上一节弹簧变力功的学习我们知道，当橡皮筋伸长量按倍数增加时，功并不简单地按倍数增加，变力功一时无法确切测算。因此我们要设法回避求变力做功的具体数值，逐步引导学生得出用一根橡皮筋做功记为W，用两根橡皮筋做功记为2W，用三根橡皮筋做功记为3W。从而回避了直接求功的这种方法。在引导过程中，我将通过让学生思考讨论的方式寻求出这种方法，并说出这种方法的巧妙之处及不选其他方法的理由。而不是直接把思路展示给学生，让学生体验思维的乐趣。再说求速度时点的选取，小车在橡皮筋的弹射下，先做加速度减小的加速运动，后做匀速运动，选哪些点来研究呢？理论上讲选加速阶段或匀速阶段的点都是可以的，选加速阶段的点时，只要我们每次都从距第一个点距离相同的位置处取点计算其瞬时速度即可，但相比取匀速阶段的点来说，后者只需用任意一段位移与发生这段位移所用时间相比即可求出弹力做功使小车获得的速度，更方便。所以我们取匀速阶段的点来求速度。三、实验方案的完善（一）为保证小车沿直线运动，我用导轨代替长木板。用导轨后为了固定橡皮筋，一开始我自制了如图所示的装置，用这种装置，一个人就可以完成实验，很方便。但是这种中间有槽可固定支架的特制导轨仅在我校数字实验室存放，且数量有限，不利于大规模学生实验的进行，因此我用它来做演示实验。做演示实验时，我把小车拉到轨道一端，用一根橡皮筋弹射小车，提出问题：“怎样可使小车获得更大的速度”？学生思考并交流讨论后可能会回答出：把橡皮筋拉得更长，换用劲度系数更大的橡皮筋，增加橡皮筋条数等方案。于是我将定性演示学生提出的三种不同方法，验证学生的想法。通过定性分析和演示，使学生对研究的问题有一个初步的感性认识，降低思维的台阶，尤其是“增加橡皮筋条数”的方法为后面变力功测量的难点破解打下感性基础。在学生实验中，我采用实验室常用导轨，由于这种导轨没有可以固定橡皮筋的地方，我 们可以再找一个小木板横放在导轨下面，在两旁钉上小钉，用以挂橡皮筋；或者直接让学生用手摁住橡皮筋两端即可，每种方法都要保证橡皮筋的有效长度相等。（二）在选用橡皮筋时，一般平常生活中使用的橡皮圈由于粗细、长短不一，长度太短力太大，本实验不能采用。服装中的松紧带由于较细而相对粗细较均匀，因此我选它来做实验。为了实验方便，尤其是做演示实验及学生实验用一个小木板横放在导轨下面，在两旁钉上小钉，用以挂橡皮筋时，橡皮筋需要两端打成小圈。而橡皮筋既要打成小圈，又要保证等长，不太容易做到，我采用的是多准备些两端打小圈的橡皮筋，从中挑选长度更接近的几条用来做同组实验。而如果采用让学生用手摁住橡皮筋两端的方法，则要保证橡皮筋的有效长度相等。（三）关于平衡摩擦力小车运动过程中不可避免会受到阻力，这样在小车运动过程中不仅有橡皮筋的弹力做功，还有摩擦阻力做功，如果不平衡摩擦力，那么本实验就是合力做功，当橡皮筋逐根增加时，合力做功并不成倍增加，为此我们必须平衡摩擦力使橡皮筋做的功就是合力做的功。因此，从这个角度看，平衡摩擦力是必要的，而且是必须的。将导轨安装有打点计时器的一端适当垫高，调整高度，直到轻推小车后使小车恰能在导轨上做匀速直线运动为止。看小车是否做匀速直线运动，可通过纸带上打出的点是否均匀来判断。四、 采集数据，生成结论怎样判断功与速度变化的关系呢？由于前面我们学习“探究加速度与力、质量的关系”时接触过类似问题，学生很容易能想到作图线的方法。如果图像是一条直线那么它们就成正比关系，如果不是又怎样呢？学生思考交流后会答出可以分别作出W-,W-，W-，W-等关系曲线，从中寻求答案。这样，我引导大家设计出表格。从纸带上计算小车的速度的方法，大家都已学过，很容易计算出，至于，及，笔算已不太可能，采用让学生用计算器计算的方法求出结果，然后在坐标纸上描点连线，分别作出的关系曲线。由于要做的图较多，学生可以分工合作，每人做其中一个或两个，这样可以增强学生的合作意识，让学生亲身体验作图过程，对得出的结论有更深刻的印象。关于数据处理，我们还可以组织学生去计算机室，指导学生利用Excel描点拟合图线，让学生亲身体验现代技术的便捷。下面是我设计出来的表格：实验次数橡皮筋做的功匀速运动时的速度1W0.2320.0.0.22W0.3210.0.0.33W0.4170.0.0.44W0.4690.0.0.55W0.5290.0.0.66W0.5710.0.0.其中，用计算器计算即可，但用计算机更快，可以介绍给学生。下面是我用计算机软件Excel画的一些图像，W-图像：W-图像： W-图像：W-图像：为更清楚地看出二者之间的关系，我从原点（0，0）开始描绘曲线。从图像我们很容易得出实验结论：，即力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的平方成正比。-说课【教材分析】 课程标准在“机械能和能源”这一主题中要求：“通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系”。显然，本节的实验探究是下一节“动能和动能定律”理论探究的实践基础，两节课共同解决一个问题：功与动能之间的关系。本节内容是前面两节内容（重力势能、探究弹性势能的表达式）的继续，用做功与能量的关系探索另一种能量及其表达式：动能。由于动能的问题比势能复杂些，所以本节暂不直接涉及动能，而是先找到一个与动能密切相关的物理量-速度，先研究速度与功的关系。本节内容的主要目的是为了让学生经历和体验实验探究的过程，培养学生实验探究的能力。本节内容是寻求动能表达式的实验探究过程，下节内容（动能和动能定理）是寻求动能表达式的理论探究过程，本节内容的实验探究为下节内容的理论探究奠定了一个实践认识基础，起到很好的铺垫作用，前后两节内容共同构成了一个较为完整的研究课题。通过这两节课的学习，对学生课题意识的形成、探究能力的培养和发展会产生不可低估的作用。【学情分析】 本节内容是一节实验探究课，实验探究学生以前有所接触，如物理必修中的“探究小车速度随时间变化的规律”与“探究加速度与力、质量的关系”。通过以前这一类探究实验的学习，学生已具有一定的实验方案设计能力、实验动手操作能力及实验数据处理的能力。尤其是纸带的处理已接触多次，学生有较好的基础，至于图线处理时从关系不明的曲线通过改变坐标量转化为关系较明朗的直线的方法在“探究加速度与力、质量的关系”中也曾接触，学生有一定的基础，但还是有一定的思维和操作难度，教师要注意合理的启发。另外，以前接触的力都是恒力，而这一节牵涉到变力问题，这又是一个思维台阶，教师要通过对话启发学生理解感悟“功的倍增法”的巧妙之处。【教学策略】 采用“问题猜想实验结论新问题”的探究式教学模式。教师合理地启发引导，让学生自主探究，合作学习，体验探究的思路、方法技巧，体验成功的乐趣。通过生生交互活动与师生交互活动，培养学生合作探究意识，提高发现问题、分析问题和解决问题的能力。针对实验数据的处理，在引导学生体验手工描点绘线的基础上，进一步引导学生学习利用计算机软件（Excel）描点拟合图线，使实验数据处理显得更简捷，让学生进一步体验现代技术在实践中的运用。 谢谢！【教学目标】知识与技能：（1）知道探究活动须测定功与速度两个物理量（2）会利用打点计时器打出的纸带计算物体运动的速度（3）会运用物理图象探究功与物体速度变化的关系过程与方法：（1）体验实验操作过程中控制实验条件的方法（2）体验通过实验数据处理寻找物理量间变化关系的方法情感、态度与价值观：通过亲身实践体会，领略探究过程中避繁就简的方法选择，感受实验探究的快乐，形成“实践是检验真理的唯一标准”的科学观，培养科学思维方式与能力。【重点难点】重点：实验方案的设计，实验数据的采集与处理。 难点：变力功的计算（倍增法）从寻找W-V关系转向寻找W-V2关系（图像法）【课前准备】1、带滑轮的小车（约300g）2、导轨（一端固定两个小铁柱，另一端可改变高度）3、橡皮筋（按放在长木板上，每组4根）4、电火花打点计时器（带纸带、墨粉纸盘）5、毫米刻度尺6、计算机、实物投影仪7、坐标纸【教学过程】一、引入课题（图3）教师：播放视频（如图3，踢足球足球从静止飞出，射箭箭从静止飞出！）。与学生交流，指出物体动能变化是由于做功引起，因为动能与速度有关，我们先一起来研究功与物体速度变化之间的关系。跟据刚才的视频，请同学们猜想：“功与速度变化之间会有怎样的关系呢”？学生：根据视频情境讨论分析功与速度变化之间的关系，绝大多数同学猜想：“功与速度之间存在正比关系：WV”。(点评：用学生喜欢的“视频”（足球、电影）激发探究的欲望，开门见山，使学生满怀兴趣地直入主题。)二、方案设计教师：要验证“猜想”正确与否，可通过实验来检验，而做实验首先要设置实验情景，确定实验方案。请学生四人一小组讨论设计实验方案（要求画出简图并作简要说明）。学生：分组讨论，设计实验方案。教师：巡视各小组的设计话动。收集不同种类的设计方案，按方案的难易程度从易到难组织学生上讲台用实物投影说明各自的设计原理，必要时协助“讲解学生”说明方案原理。学生：小组代表上讲台用实物投影说明本组设计的实验方案。呈现下列有代表性的方案（如图4）：方案1（自由落体法）方案2（水平牵引法）方案3（斜面滑行法）方案4（橡皮筋弹射法）（图4）电火花计时器计时器纸带滑块夹子光电门重物气垫导轨教师：比较各方案的特点。说明方案1、2、3的共性是恒力做功，比较特殊，缺乏普遍性；方案4是变力做功，更具普遍意义。向学生说明为使研究更能说明问题，先一起用方案4来进行实验，其它方案建议学生课后进一步实验探索。为使小车被弹射时运动更稳定，把木板改成轨道。(点评：通过合作方式设计实验方案，培养学生团结协作的团队精神；通过展示学生小组的研究成果，使全体学生获得成功的体验；通过比较选择方案，使学生开阔了视野，并使下一步的研究更趋合理。)三、操作要点（图5）教师：展示实验器材（如图5），定性演示：把小车拉到轨道一端，用一根橡皮筋弹射小车。提出问题：“怎样可使小车获得更大的速度”？ 学生：思考老师提出的问题并回答:“把橡皮筋拉得更长”、“换用更强劲的橡皮筋”、“增加橡皮筋根数”。教师：定性演示学生提出的三种不同方法，验证学生的想法。(点评：通过定性分析和演示，使学生对研究的问题有一初步的感性认识，降低思维的台阶，尤其是“增加橡皮筋根数”的方法为后面变力功测量的难点破解打下感性基础。)教师：提出问题：研究橡皮筋对小车做的功与小车获得的速度关系，需要测定哪些物理量？各物理量可如何测量？ 学生：讨论并回答老师提出的问题：速度可通过打点计时器打出的纸带来计算。功由于是变力功一时无法确切测算。教师：提出问题：“联系刚才的实验演示，你能设法回避变力功的具体数值测算吗？”学生：联想实验演示，提出解决方案一：设法使橡皮筋的伸长量按倍数增加，则功也按培数增加，即橡皮筋的伸长量依次为X、2X、3X，对应的功就依次为W、2W、3W教师：指导学生回忆上一课时弹簧变力功的特点，分析得出：橡皮筋弹力做功类似于弹簧弹力做功，其伸长量按倍数增加时，功并不简单地按培数增加，橡皮筋伸长量与功之间是一种复杂的关系。学生：提出解决方案二：设法使橡皮筋的根数按倍数增加，则功也按培数增加，即橡皮筋依次为1根、2根、3根，对应的功就依次为W、2W、3W教师：肯定学生巧妙的思路，进一步追问：“这种方案对每根橡皮筋有什么要求？在实验操作时又有什么要求？”学生：讨论并完善实验方案：每根橡皮筋要完全相同，每次橡皮筋拉伸的长度要完全相同。教师：小结：“方案二思路巧妙，回避了烦琐的具体功数值的计算，可使问题的研究大大简化，但对橡皮筋材料的要求比较高”。接着向学生展示事先准备好的符合该实验要求的橡皮筋（如图2）。(点评：通过功测量的难点突破，提高了学生遇到困难时灵活机动、巧妙解决难点的能力。)教师：提出问题：实验中除橡皮筋对小车做功外，还有其它力对小车做功吗？如果有，应如何处理？学生：思考、交流后得出：还有阻力做功，需把导轨一端垫高，轻轻推动小车使小车恰能匀速运动。利用重力的分力平衡阻力。教师：与学生讨论后指出：小车后拖的纸带运动时也有阻力作用，所以平衡阻力时需连上纸带并打点。通过器材演示向学生示范如何平衡阻力。平衡好后用一根橡皮筋弹射小车打出一条纸带，用实物投影仪投影这一纸带，提问：“如何从这纸带上求出小车被橡皮筋弹射后获得的速度？”（图6）学生：观察纸带上的点迹情况（如图6），发现纸带上的计时点间距先越来越疏，后间距均匀，分析得出后面间距均匀的点计算得到的速度代表了橡皮筋弹射完成后小车获得的速度。（图7）教师：引导学生设计表格记录测出的（W、V），并提示记上（0、0）这组特殊数据（如图7），然后提问：怎样来处理这些实验数据呢？按照我们前面的猜想，画出的W-V图会是怎样的呢？(点评：培养学生在实验探究前要养成思考的习惯。有了正确的探究思路，才能避免探究的盲目性。)四、学生实验教师：根据讨论结果，指示学生分组实验。学生：二人一组进行实验，完成实验操作，记录实验数据，并进行数据处理。教师：巡视、指导，解答学生提出的问题，处理即发事件。指导学生顺利完成实验。五、数据处理教师：学生实验完毕后，指导学生进行数据处理。 提出问题：根据测出的数据，怎样分析功与速度的关系？学生：在坐标纸上建立坐标系，描画WV图来观察分析功与速度的关系。教师：巡视、指导学生作图，收集各种信息。用实物投影仪展示学生实验成果，肯定成功之处，同时指出并改进作（图8）图的一些不规范或错误之处。提出问题：“实验得出的WV图是我们猜想的正比关系吗？跟据WV图特点（如图8），请进一步猜想功与速度可能存在怎样的关系呢？我们可怎样处理图象使我们的猜想得到简便直观的体现？”学生：思考老师提出的问题，观察实验得出的WV图，发现WV图不是直线，说明前面的猜想（WV）不成立！进一步观察WV图特点，发现图线与抛物线相似，猜测WV2，建议作WV2图线验证。（图9）教师：选取几组学生数据，在屏幕上运用Excel算出V2值，描出WV2的图，用直线拟合，得出WV2图为过原点的直线（如图9）。验证同学们的猜测是正确的。（条件好的学校可让学生用Excel画图）。(点评：教师要放开，引导学生大胆猜测，独立完成探究过程。有的学生可能会走弯路，甚至失败，但重要的是让学生亲历数据处理的探究过程。同时，运用现代技术处理数据，培养学生的现代意识，感受更多更简捷的数据处理方法。)六、小结拓展教师：引导学生总结本次探究的方法、突破点（关键点）、实验结论以及得到的启示。 (点评：通过总结，培养学生概括总结的能力，进一步巩固、感悟