《探究功与物体速度变化的关系》教学设计

苏建东

摘要:本文以教学设计的形式对高中新课程物理《探究功与物体速度变化的关系》一节内容的教学过程进行了阐述与分析,并根据教学过程作者提出了自己的体会与反思。

关键词:功;速度;变化关系;教学设计

中图分类号:G633.7 文献标识码:A文章编号:1003-6148(2009)11(S)-0016-3

1 教学情况分析

1.1 教材内容分析

本节内容将运动和功联系在一起,为下一节动能和动能定理的理论探究做准备,为培养学生从功和能相互联系的角度定量分析与解决问题打下基础。因此,这节课是本单元较重要的内容。

1.2 学生现状分析

学生经过前期科学探究的训练,初步具备了科学探究的能力。这节课学生探究变力对物体做功和物体的速度发生变化的定量关系。这里既要让学生知道如何测量变力做功,又要让学生知道如何测定速度。因此本节课的内容要求学生学会通过知识的迁移来解决问题,是对学生探究能力的考查和提升。

2 教学目标

2.1 知识与技能

(1)掌握用倍数关系测变力做功的方法。

(2)理解测量物体速度的方法。

(3)掌握利用图象处理数据的技能。

(4)知道w与v的定量关系。

2.2 过程与方法

(1)掌握运用图象法寻找物理规律。

(2)领会探究的过程和探究的方法。

2.3 情感态度和价值观

(1)体验科学探究的过程,激发学生的学习兴趣,培养学生的学习能力。

(2)培养实事求是、严谨认真的科学态度。

(3)培养学生合作交流的团队精神。

3 教学重点

(1)通过问题链启动学生的思维,引领学生科学探究。

(2)学生设计出不同的实验方案,根据实验方案经历科学探究的过程。

(3)学生在探究过程中利用图象法处理数据并获取物理规律的方法。

4 教学难点

(1)变力做功下变力功的测量方法。

(2)实验探究方案的设计、实验数据的处理、根据数据找出物理规律的方法。

5 资源运用

多媒体课件、电子白板、重物、电火花打点计时器、刻度尺、纸带、长木板(带垫木)、小车、橡皮筋、气垫导轨、光电门、数字计数器、笔记本电脑等。

6 教学思路

科学探究的一般程序是“提出课题→猜想假设→实验设计→分组实验→数据处理→得出结论”。在课堂教学中为了避免科学探究流于形式,在教学设计中,通过问题链引领学生探究,这样既能够积极调动学生的思维又能够让学生围绕核心问题把探究活动深入下去。

7 教学过程

7.1 问题的提出

师:请同学们观察下面两个实验。

教师做两个小实验。

实验(1):把相同的物体从不同高度处下落两次,落到同一高度处。

实验(2):用橡皮筋在不同的形变量下拉小车后放手,小车弹出去。

师:根据以上两个实验,同学们从功的角度能发现什么问题?

生:我想提的问题是功和物体的速度有怎样的关系?

师:请同学们先根据自己的认识提出对这个问题的猜想。

生:实验(1)中力对物体做的功和物体获得的速度的平方成正比。

师:你是如何知道这个答案的?

学生利用白板的书写功能展示恒力功和物体获得速度的关系。

生:我是根据作自由落体运动的物体,初速度为零。重力是恒力,重力的功和物体的位移成正比,而根据运动学速度的平方与物体的位移成正比。

W_G=mgh W_G∝h

V²=2gh V²∝h W_G∝V²

所以我认为恒力做功与速度的平方可能成正比。

但是实验(2)中橡皮筋的功是变力功,我不能确定它们的定量关系。

7.2 猜想与假设

多媒体课件在电子白板上展示课题:探究做功与速度变化的关系。

师:请同学们猜测变力功和物体获得速度的关系。

生:我猜测变力对物体做的功和物体获得的速度的平方也成正比。

师:下面我们就来探究初速为零的情况下橡皮筋对物体做功和物体获得的速度的定量关系。

7.3 问题的引领

多媒体课件展示要探索的问题,利用白板的遮挡功能问题逐个显示。

师:橡皮筋对小车在哪个阶段做功?

生:只有橡皮筋有形变时,对小车有拉力时才会对小车做功。

师:我们能否测出橡皮筋做功的具体数值?

生:不能直接测量变力的功。

师:那我们如何对橡皮筋做的功进行测量?

生:我觉得可以让物体在相同的位移下,改变力的倍数关系从而得到功的倍数关系。我们可以用几根相同的橡皮筋,第一次用一根橡皮筋去拉小车,第二次用两根橡皮筋去拉小车……只要每次拉橡皮筋的起点相同,每次橡皮筋的形变量相同,则橡皮筋对小车做功和橡皮筋的根数成正比。这样就可以用橡皮筋的根数来表示橡皮筋做功的倍数关系,如果一根橡皮筋对小车做功为W,那么两根做功就是2W,三根就是3W………。

师:同学们用了一个非常巧妙的方法,解决了变力做功不能测量的问题。那么小车在轨道上运动时橡皮筋对小车施加的力是小车所受的合外力吗?

生:不是,小车在水平轨道上运动时不仅会受到橡皮筋对小车的拉力,还受到轨道对小车的摩擦力。

师:我们实验的目的是探究橡皮筋对小车做功与小车速度变化的关系。那么我们如何去平衡轨道对小车的摩擦力?回顾以前我们做过的实验看看有没有可以借鉴的地方。

生:将轨道末端垫高,用重力的下滑分力平衡摩擦力。

师:小车在平衡摩擦力后在木板上做什么性质的运动?

生:先加速运动,当橡皮筋恢复原长时拉力消失,以后小车将做匀速运动。

师:小车的速度如何测量?

生:我们可以用光电门测出物体的速度或者用打点计时器和纸带测量出物体的速度。

师:用纸带法测纸带上的点,间距并不都是均匀的,应该采用什么样的点来计算小车速度,为什么?

生:我们可以选择点距均匀的点进行实验数据的采集计算小车的速度。

7.4 实验设计

师:请同学们根据实验桌上的器材,确定实验方案,设计待测数据表格,并说明用何种方法处理数据。

生:小组内讨论,确定实验方案,并设计待测数据的表格。

师:交流同学们的设计方案。

生:学生交流设计方案。

师:根据学生设计的实验方案,给予评价。

7.5 实验探究

学生利用实验桌上提供的实验器材,自由选择实验器材。

生:三人一组,分工合作,进行实验探究。

师:在实验过程中,教师巡视指导,个别指导。

师:教师根据学生的探究进程,点拨学生。

生:继续深入地思考,生成新的问题、引发新的猜想,并深入地探究新的问题。

7.6 数据处理

学生利用笔记本电脑处理数据。

生:利用图像法和EXCEL软件处理数据,分析图像讨论W-V、W-V²、W-V³的关系,从图像上得出功和速度的关系。

7.7 交流与评价

学生利用投影公布数据和结果,交流感想。

师:通过同学们的探究,现在请同学们交流探究过程和探究的结果。

生:我们使用橡皮筋、气垫导轨和光电门探究变力做功和速度变化的关系。数据的处理使用EXCEL软件,图像上显示功和物体获得的速度的平方成正比关系。这和我们猜想的结果相同。

同时我们在探究的过程中思考了另外的一个问题。若物体的初速度不为零,我们猜测橡皮筋做的功和速度的平方差成正比。我们利用气垫导轨和两个光电门来验证我们的猜想。

师:请你们具体的谈一下验证新猜想时你们的实验设计。

生:我们在橡皮筋伸长的状态下,取两个位置分别放上两个光电门,只要橡皮筋每次的起点相同,在两个位置间橡皮筋做的功和橡皮筋的根数同样成正比,我们只要测出两个位置的速度就可以分析功和速度平方差间的关系了。

师:这一组同学做得非常好,得到功和速度的平方成正比后,还进一步探究了初速度不为零的情况下橡皮筋的功和速度的平方的差成正比。其它组的同学也来交流一下。

生:我们是用橡皮筋和木板、打点计时器探究变力做功和速度变化的关系,我们的数据是用计算机软件来处理的,图像显示功和物体获得的速度的平方成正比,我们得到的结果是变力做功和物体获得的速度平方成正比。

同时,我们在探究过程中也想到如果初速度不为零,橡皮筋的功和速度变化的关系。我们在理论上继续分析了初速度不为零的情况下恒力做功和速度变化的关系,结果发现恒力的功和速度的平方的变化成正比。因此,我们猜测变力可能也是这个结果,结果是否这样我们还需要继续探究。

师:请你们把恒力做功下的理论探究的过程写出来。

生:学生上黑板推导。

W=mgh,W∝h

v22-v12=2gh,

W=mgh,

h∝v22-v12

W∝(v22-v12)

师:这组同学探究出功和速度成正比关系后,又有了新的发现,并从理论上探究了初速度不为零的条件下功和速度的平方的差值成正比。请其他的小组交流。

生:我们也是用橡皮筋、木板和打点计时器探究变力做功和速度变化的关系。我们的数据是用计算机软件来处理的,图像显示功和物体获得的速度的平方成正比,我们得到的结果是变力做功和物体获得的速度平方成正比。

我们小组又考虑了功和速度平方的等式是怎样的?我们猜测和m有关,因此我们先用重物和打点计时器做实验探究,结果我们发现物体做自由落体时恒力的功和12mv2的数值相等。我们猜测初速为零的情况下变力做功也和恒力做功有同样的关系式,这一点我们还需要进一步的探究。

师:这组的同学做得非常好,不但探究了功和速度的平方成正比,而且还找出了初速为零时恒力做功和速度平方的定量关系式。同时还对初速为零时变力做功和速度的平方的关系式作了猜测。

我们顺着这条思路,可以继续大胆的猜想,如果是变力做功,变力做功和速度变化的关系的定量等式是怎样的呢?

生:我们猜测是W=12mv22-12mv12。

师:你们的猜测有一定的依据,结果是否是这样,我们还需继续探究。请同学们在课后从理论上进一步探究或者设计实验从实验上作进一步的探究,这个问题的探究就作为我们今天的课后作业。

7.8 总结和归纳

利用电子白板的书写功能总结本课内容。

师总结:探究课的流程、所用的方法、探究的结果、新的猜想。

8 教学反思

这是一节较典型的科学探究课,这节课以实验探究为主,同时穿插了理论探究。理论探究和实验探究相互渗透有利于培养学生的科学研究的能力。在探究过程中,为了能使探究顺利进行,可以通过问题链引领学生解决探究过程中遇到的问题。

在探究过程中学生会发现新的问题,并根据新的问题提出新的猜想,此时我们应该鼓励、引导他们,让他们的探究活动继续下去。让学生充分理解探究的过程,掌握科学探究的方法,体验学习的乐趣,进而提高其创新能力。

(栏目编辑赵保钢)