教学设计实验探究功与速度变化的关系物理高中.docx
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教学设计实验探究功与速度变化的关系物理高中
《实验：
探究功与速度变化的关系》教学设计
一、课标分析
根据《课程标准》中要求：
“通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系。
”
探究功与速度变化的关系，是企图通过实验，利用已经从个案中有所领悟的功能关系，探究另一种能量----动能的表达式。
因为动能与速度相关是动能的基本特征之一，而这一点已在第一节中就明确了。
但是，这一实验探究最多只能得到与物体的成正比，并不能得出动能的表达式，因此，功与速度关系的测定只是达到目的的一个桥梁，实验并不可能解决一切问题。
通过本节探究有必要将实验思路转换成理论性研究，为下节动能和动能定理的学习奠定认识基础。
另外也能更好的通过功能关系的讨论完成对能量概念的更深入的认识。
显然，本节的实验探究是下一节“动能和动能定理”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。
因此这部分内容是本章的关键内容，是力学问题的基础和综合，也是学习其他物理学知识的重要基础。
另外，新课标重视科学过程，对本节内容的教学，《学科教学指导意见》要求理解掌握教材给出的实验方案，同时会根据所学知识设计实验方案，并对不同的实验方案作出评价和选择。
二、教材分析
本节是人教版物理必修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。
从内容的逻辑性讲本节内容是前面两节内容的继续，进一步研究和讨论力对物体所做的功与物体动能间的关系。
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，先研究功与速度变化的关系。
本节的主要目的在于增加学生探究与动手的机会，让学生学会观察，大胆猜想，勇于解决问题，提高理论联系实际的水平，为下一节动能和动能定理的推导奠定基础。
通过本节内容的教学，也可以促使学生在学习动能定理后比较深刻地认识到动能定理不仅适用于恒力做功，同样在变力做功的情况下也是成立的。
从整体上看，本节内容的安排完全符合人们认识事物的思维过程，符合学生的认知规律。
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。
三、学情分析
对于功和能的关系，在前两节分别讲了重力做功与重力势能的关系、弹力做功与弹性势能的关系，所以学生已经初步认识到通过做功来了解某种能量的变化，从而研究这种能量，也就是学生已经初步体验到“功是能量转化的量度”，并且学生已具有一定的知识迁移能力了。
因此可以让学生通过类比，从力对物体做功入手来探究动能的变化，但首先要探究功与物体速度变化的关系。
另外在探究变力做功与速度变化的实验中要平衡摩擦力，而这一思想在前面必修一实验“探究加速度与力、质量的关系”的实验中学生也体验过，实验数据的处理上也用过图像法处理，有一定的基础。
但这节的数据处理有一定的思维难度和技巧，因此教师要根据学生的实际水平和探究任务的难度采用不同的教学模式，根据问题情景式探究任务运用适当的思维方法；应从学生已有的认知水平出发，注意把握教学的难度与深度。
四、教学目标
（一）知识与技能
1．理解探究性实验中的探究思路、操作技巧和数据处理，能够自主设计实验。
2.知道用一根橡皮筋所做的功为“单位的功”。
3．理解小车做匀速运动阶段测量速度比较合理。
4．学会运用物理图象探究功与物体速度变化的关系。
（二）过程与方法
1．通过实验操作过程中控制实验条件的方法，体验知识的探究过程。
2能独立进行实验操作，会采集实验数据。
3．体验通过实验数据处理寻找
与
的关系的方法。
（三）情感态度与价值观
1．让学生经历自主探究、合作学习的情感体验，激发学生求知欲和学习兴趣。
2．通过实验探究的各个环节，培养学生敢于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神。
五、教学重点
学习探究功与速度变化关系的物理过程和所用方法，并会利用图象法处理数据。
六、教学难点
1．探究思路的形成及实验条件的控制。
2．用图象方法分析处理实验数据。
七、教学工具
橡皮筋（5根），导轨（一端可固定橡皮筋，另一端可调节高度），小车，砝码，毫米刻度尺，打点记时器（电火花），学生用交流电源，纸带，坐标纸，计算机和多媒体设备。
八、教学过程设计
教学
环节
活动
时间
教学活动
设计
意图
教师活动
学生活动
复习旧知
1分钟
在前面的两节课中我们通过重力做功探究出重力势能的表达式，通过弹力做功探究出弹性势能的表达式。
另外我们同学在初中已经学习了动能的概念，请同学们回忆后回答：
什么是动能呢？
动能跟什么因素有关呢？
那么这节课我们能否通过同样的思想和方法通过合力做功来探究动能的表达式呢？
思考并回答问题。
利用学生已学过的知识作为铺垫，引出本节课的学习内容。
导入新课
01
重力做功跟物体的动能有什么关系呢？
我们可以通过演示来找到它们的关系。
教师展示弹弓，利用弹弓弹射小鸟，并向学生提出问题：
小鸟飞出后获得了动能，请问小鸟的动能是如何获得的呢？
播放视频并提出问题：
视频当中足球的动能为什么改变？
总结：
由此可见，外力对物体做功会引起物体动能的变化。
这节课我们就用实验的方法来探究外力做功与物体动能变化的关系。
由于物体的动能又与速度紧密相关，那么这节课我们就来研究外力做功与物体速度变化的关系。
为了降低难度我们就探究外力对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系。
观察思考并找学生代表回答：
甲生：
橡皮筋在恢复形变的过程中对小鸟做了功。
乙生：
运动员的脚在踢球时对足球做功，使足球获得了动能。
通过学生熟悉的玩具和视频资料激发认知需要，激发学习兴趣
引入课题
新课教学
03
提问：
那么外力做功究竟与速度变化有什么关系呢？
牛顿说过：
没有大胆的猜想就不会有伟大的发现，同学们也可以大胆的进行猜想。
同学们思考后提出自己的猜想：
可能外力做功与速度变化成正比，也可能外力做功与速度变化的平方成正比，等等。
激发学生探索的欲望
04
既然同学们都有各自的猜想，但实验是检验真理的唯一标准，那么我们就通过实验的方法来探究外力做功与速度变化的关系。
你们有哪些具体的实验方案吗？
请大家分组讨论，然后根据你们的实验原理在白纸上画出相应的实验草图。
小组内讨论，画出实验草图
引导
提出实验方案一
07
有人可以展示设计方案吗？
（请同学甲上讲台来展示小组的设计方案，并解释设计原理）
同学甲通过实物投影展示草图并讲解：
利用重物拉动小车前进，通过打点计时器测量小车的速度和拉力做的功，得到功和速度的数据，再进行数据处理。
其余同学参与讨论
充分体现学生的主体地位，调动学生的学习积极性
08
提问：
这个方案很眼熟，我们用它进行过验证牛顿第二定律，大家认为这个方案可行吗？
思考并回答：
这个方案可行。
08
这个方案里，小车受到的只有拉力吗？
如果还有别的力应该怎么办呢？
观察并回答：
还有小车与木板间的摩擦力，还有打点计时器对纸带的阻力。
应该平衡这些阻力。
提出疑问
激发学习兴趣
提出实验方案二
09
这样方案一就可行了。
还有其它方案吗？
（请同学乙上讲台来展示小组的设计方案，并解释设计原理）
同学乙通过实物投影展示草图并讲解：
利用重物做自由落体运动，通过打点计时器测量重物下落的高度计算重力做的功，还可以计算出重物下落的速度，从而得到功和速度的数据，再来进行数据处理。
其余同学参与讨论
让学生展示并讲解自己的设计思路，体现学生的主体地位。
10
提问：
方案二可行吗？
观察并回答：
这个方案我们用来进行过测量重力加速度，在这里也可以用来测量功和速度的变化。
提出实验方案三
11
是的。
还有第三种方案吗？
（请同学丙上讲台来展示小组的设计方案，并解释设计原理）
同学丙通过实物投影展示草图并讲解：
利用橡皮筋弹射小车来研究功和速度变化的关系。
其余同学参与讨论
给学习充分的发挥空间，更能激发学生探究的欲望，实现自我价值的肯定。
12
提问：
第三方案理论上也是可行的。
以上三种方案各有什么异同吗？
观察思考并回答：
第一和第二方案都是利用重力做功，都是恒力做功；第三方案橡皮筋的拉力是变力，这种变力做功的计算目前我们还没有学。
学生区分比较的能力。
挑选第三方案
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这三种方案都是可行的，前两种方案我们很熟悉了，但在我们现实生活中，像第三方案出现的变力做功的情况最普遍，也是最复杂的，所以今天我们就迎难而上，采用的第三种方案：
橡皮筋弹射小车进行探究。
回答：
我们也想勇敢的迎接挑战！
激起学生知难而上的勇气
实验器材的选择
请同学们选择器材
学生回答
选择准确器材保证实验顺利进行。
实验原理教学
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在探究时如果让小车从静止开始运动，那么小车的初速度为零，小车的速度变化量的测量就可以简化为只测量小车的末速度了，这样就使我们研究的问题简化为探究外力做功与物体速度的关系了。
采用这样方法可以使问题化繁为简。
探究变力功的测量
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在进行实验之前我们先探究几个操作技巧
（一）测量橡皮筋对小车做的功W
教师预设几个问题
问题1：
用这种方案探究时，橡皮筋在那个阶段对小车做功？
问题2橡皮筋在运动过程中对小车做的功是合力做的功吗？
如何消除摩擦力做功？
补偿方案？
问题3橡皮筋对小车拉力做的功能否直接测量？
思考并回答：
橡皮筋被拉伸直到恢复原长的过程中。
学生思考回答：
还有摩擦力做功
学生回答：
把木板的一端垫高，平衡摩擦力，轻推小车使小车能够匀速运动。
学生思考后回答：
不能。
橡皮筋的弹力是变力，且弹力与伸长量的关系也不严格遵守胡克定律，不容易计算
引导学生分析小车运动的物理过程，明确做功的过程
通过相关问题的设置和学生的回答情况，教师强调实验探究中应注意的事项
教师步步设疑，通过问题引领是使学生掌握测量速度的方法。
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既然不能，那我们怎么进行橡皮筋弹力做功的测量呢？
请同学们思考后回答。
教师根据学生回答展示器材：
拉力器。
拉力器当中的弹簧就是并联关系，通过改变橡皮筋条数来达到增加力和使做功成倍增加的目的。
我给每个小组准备了五条相同的橡皮筋，可以进行多次实验，具体怎么做？
很好。
我们还可以记录0和0这组特殊的数据，这样我们就有了6组数据。
学生代表思考并回答：
实验时通过改变橡皮筋的条数，使橡皮筋做的功成倍数关系，也可以得到功与速度的关系。
具体做法：
第一次用一根橡皮筋，使橡皮筋伸长一定的长度，做功记为w,第二次用两根完全相同的橡皮筋并保证每次的形变量相同，做功记为2w，以此类推，第三次用三根橡皮筋，做功记为3w、、、、、、这样我们可以测五组数据
探究速度的测量
20
功的测量解决了，那我们如何测量小车的速度呢？
利用纸带法求速度是我们在前面实验过程中使用的方法，实际上在先进的实验室中利用气垫导轨和光电门计时器测出来的速度更为精确，不过在这我们就用打点计时器来进行测量速度。
教师展示以前做过的一条纸带，请同学们观察纸带会发现纸带上的点迹分布不均匀从而提出问题：
请同学们思考应选择纸带上哪些点来求小车的速度呢？
合理选取纸带上两个点迹，根据匀速运动公式v=x/t
就可以求出小车的速度。
思考并回答：
应该平衡摩擦力
请学生代表回答：
利用纸带
学生思考后回答：
应选择纸带上点迹均匀的部分进行测量求速度，因为小车的末速度应该是橡皮筋做功完毕时的速度，而这以后小车做匀速运动。
数据处理
我们探究出了功和速度的测量方法，哪如何寻找做功和速度的关系呢？
图像法是处理实验数据最常用的方法，简单直观，并且可以减少实验误差。
我们可以先画出W-v图，如果图线是直线说明功与速度成正比，如果是曲线就进一步做W-v2图，如果图线是直线则说明W与v2成正比，若是曲线，就做W-v3图，后面以此类推。
学生思考后回答：
图像法。
掌握数据处理的常用方法。
实验注意问题
在进行实验之前教师强调根据探究技巧在实验过程中要注意的问题：
1实验前要平衡摩擦了。
2橡皮筋的规格和伸长量要完全相同。
3速度的求解要选择匀速运动阶段求解。
4数据处理时为了减小误差，W轴即纵轴单位长度可适当大些。
引起学生的足够重视，保证实验的顺利进行。
开始实验
21
请同学们依据教师给出的参考步骤按照要求，开始实验，并记录数据.
教师指导学生做好实验。
分小组进行实验
要求小组各成员在实验中紧密配合，共同完成实验探究；同时教师根据学生实验的情况适时点拨。
数据处理
31
学生做完实验后请学生代表在展台上展示学生画出的w-v图像，W-v2图
学生代表展示，并说明图像的形状跟抛物线相似，就进一步猜想可能外力做功与速度的平方成正比，然后做出W-v2图，结果发现图像是一条过原点的直线。
让学生体会这种用数学方法解决物理问题的思路，培养学生养成良好的思维习惯。
生成结论
32
W-v2图像是一条直线说明什么呢？
回答：
当物体初速度为零时，外力对物体做的功与物体速度的平方成正比
通过直观的图像锻炼学生对知识的总结能力。
利用计算机数表软件处理数据
35-37
同学们根据手工绘图得到了探究结果:
在初速度为零的情况下外力做功与速度的平方成正比。
我们也可以利用计算机的数表软件进行数据处理，通过电脑来拟合出外力做的功与物体速度的关系。
教师利用学生数据在计算机上利用数表软件进行演示，进一步证明课堂结论：
做笔记
利用计算机数表软件处理图像一方面让学生体验计算机技术在物理中的应用，激发学生探索的欲望。
巩固练习
38-40
投影出课堂练习
点评答案
思考并解题
巩固知识
小结
41
这节课我们探究了几种可行的实验原理，挑选了最具有普遍性最复杂的方案进行了实验，并得到了结论。
希望大家可以用这些知识解决一些简单的实际问题
通过总结，培养学生概括总结的能力，进一步巩固、感悟、提示实验探究中获得的思维能力和动手能力。
布置作业
44－45
这节课的任务已经完成，但探究仍要继续，请同学们思考：
1，若小车的初速度不为零，那我们会得到什么结论？
2除了用实验的方法验证外，能否用理论推导的方法来验证，如果可以，应如何验证？
巩固课堂效果，为下节教学做好铺垫。
九.板书设计
十．学习评价表
“探究功与速度变化的关系”学习情况评价表
班级高一（）班姓名
项目
具体内容
教师评价
学生评价
A
B
C
A
B
C
知识与
技能
认识现实生活中有关做功改变物体速度的现象
理解本次实验的原理和注意事项，会进行数据处理
会解决一些动手操作的实际问题
物理
思维
较好观察和体验实验研究过程，描述现象
试验学习的过程中，观察能力、思考能力、思维的发散性与建立物理模型等方面有明显提高。
能主动推广所学到的知识到现实中去分析各种现象。
解决
问题
在学习新知识和参加实践活动的过程中初步学会提出问题并用提出假说解决问题，并进行试验验证的科学方法。
较好的通过讨论交流解决问题得到结果。
在学习过程中与同伴合作解决问题的能力在继续提高。
情感与
态度
通过本课的学习，对物理与实际生活的联系有更多的体验。
自己喜欢物理这门科学。
对学好物理有信心。
学生意见：
十一．教学回顾与反思：
本次实验体现新课程强调的探究方法，师生互动良好，学生通过设计、展示自己的实验方案，去锻炼创新能力，发挥学习主动性，在探究自然规律的同时获得学习物理的乐趣，激发学生探究科学的热情。
实验中要求教师引导学生注重实验过程中的科学探究的质量，让他们动脑动手，去发现和解决实验中遇到的各种问题，从而使学生在课程的学习中找寻到。
十二．教学拓展：
（一）借助Excel软件进行数据处理。
在课堂上由于是在实验室进行，利用数表软件处理数据只能由教师演示，学生无法亲自操作，满足不了学生的求知欲望，课后让学生在微机室或者自己家的计算机上完成数据处理，进一步体验探究的乐趣，体验利用现代科学技术解决物理问题的便捷。
（二）在课堂中学生选择探究的实验是小车在橡皮筋拉力作用下所做的直线运动。
通过控制小车从静止开始运动把求速度变化简化为小车末速度的测量，通过增加橡皮筋的条数巧妙的解决了变力做功问题。
在实际生活中我们接触到的物体的运动更多是由变力做功影响其动能的变化，同时更多的运动也是曲线运动，那么物体在做曲线运动时外力对其做的功与物体的速度的变化又有什么定量关系呢？
是否也是外力做功与速度平方的变化成正比？
（提示学生可以结合前面学过的匀速圆周运动的知识进行探究）
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