“探究功与物体速度变化的关系”教学设计

浙江省杭州外国语学校 蔡锦曦 选自《中学物理教学参考》2008年第10期

一．教学设计思路

（1）做功与物体速度变化关系的建立，为学生后续学习动能定理起到了非常重要的铺垫作用。学生在生活中易感受力对速度变化的影响，但对做功与速度变化之间的关系比较模糊。本节通过学生设计探究实验方案，师生互动研究改进方案，学生亲历实验探究过程，对实验数据进行层层推进式分析，从而得到结果，使学生体验学习乐趣和战胜困难、解决问题的成功感。

（2）人教版新教材列入此探究课题是为了使学生了解“倍增法”这种物理方法，在高二学习“库仑定律”时该方法还将出现，所以探究过程也是对学生物理思想方法的教育过程。

（3）通过探究式教学，训练学生掌握相互交流、合作的学习方式；在学习过程中鼓励学生大胆提出设想，在其他学生的参与下对实验方案提出质疑和改进建议，提高其参与意识；通过实验数据分析得到结果，也使学生体会实验在科学探究中的重要性，增强其探索意识。

二．教学目标

1．知识与技能

（1）能够通过生活具体事例发现做功与物体速度变化之间存在一定的关系；

（2）能够设计具有可操作性的实验方案，对做功与物体速度变化之间的关系进行研究；

（3）运用不同的实验方法进行研究，能对实验数据进行合理分析（数值和图象），得出正确的结论。

2．过程与方法

（1）用纸带、打点计时器、橡皮筋等探究做功与物体速度变化的关系，体验知识的探究过程和物理学研究方法；

（2）注重实验探究方案设计的思考与改进过程。

3．情感态度与价值观

（1）能以积极的情感和认真的态度学会探究物理问题的科学方法；

（2）体会学习的快乐，激发学习兴趣；通过亲身实践树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学理念。

三．教学重点和难点

1．教学重点

探究做功和物体速度变化关系的物理方法的提出与改进。

2．教学难点

对“倍增法”的理解及实验数据的处理与分析。

四．教学资源

1．教学硬件

笔记本电脑，大屏幕显示器，实物投影仪。

2．教学软件

PowerPoint，Excel。

3．实验仪器

铁架台1个，重锤1只，滑轨2个，小车2个，打点计时器3个，钩码1盒，气垫导轨（带滑块）1套，光电门计数器1个，托盘天平（带砝码）1套，橡皮筋若干，纸带若干。

4．教学辅助图纸

实验设计图纸，实验数据图表。

五．教学流程图

六．教学过程

1．课题引入

给出铅球运动员图片（如图1所示）。

问题1：铅球出手时的速度是如何获得的？

给出掷铅球的动作分解示意图（如图2所示），让学生注意观察。引导学生通过图片，得出“铅球速度变化与人手对其做功有关”的结论。

问题2：你是否还能想到实际生活中，做功改变物体速度的其他例子？

以学生回答为基础，教师分析总结：对物体做功可以改变物体的速度；做功与物体速度变化之间的关系，是本节课的探究主题。

2．实验方案的设计与探究

学生分组进行实验方案设计，然后进行方案的展示与交流，通过师生互动对学生方案加以改进。学生可能提出一些不同于教材中橡皮筋做功的实验方案，尤其容易从恒力做功的角度去思考。

说明：事先发给每组一张实验设计图纸，让学生将自己设计的实验方案在图纸上画出来；再请各组派出代表，利用实物投影仪展示实验设计方案，并予以说明，请其他学生对方案可行性进行研究，提出改进意见。

实验方案1：利用自由落体实验探究重力（竖直方向恒力）做功与物体速度变化之间的关系。

注意学生对该方案中功和速度的确定方法：

（1）选取打点计时器在纸带上打出的一系列点中的某几点，测出它们与纸带上第一点之间的距离，即重力方向上的位移，与重物的重力相乘可得重力做功值。

（2）通过分析纸带上的点求得物体速度。

（3）当物体初速度为零时，实际探究的内容是功与物体速度之间的关系。

实验方案2：利用钩码通过定滑轮连接细绳拉动水平滑轨上的小车，研究水平方向恒力做功与物体速度变化之间的关系。

实验方案的研究与改进：

（1）钩码与小车一起做加速运动，钩码在竖直方向具有向下的加速度，此时细绳拉力略小于钩码重力；增加小车质量，当钩码质量远小于小车时，细绳拉力可认为等于钩码的重力。

（2）小车与轨道之间的摩擦力阻碍拉力对小车做功，应消除此摩擦的影响。为此，用小车重力沿斜面方向的分力来平衡摩擦力：将放有打点计时器的滑轨一端垫高，在小车尾部固定一条纸带，轻推小车使小车沿滑轨向下运动；若纸带打出的点距均匀，则说明纸带的运动是匀速的，小车重力沿斜面方向的分力就刚好与小车所受摩擦力平衡。

说明：使用滑轨、小车和打点计时器等对此问题进行展示研究，让学生对克服摩擦力做功的过程有一直观的认识。

教师需提醒学生：变力做功是生活中常见的做功方式，因此探究变力做功必不可少。

实验方案3：利用橡皮筋拉动位于水平滑轨上的小车，探究变力做功与物体速度变化之间的关系。

（1）实验探究中橡皮筋拉力对小车所做功的确定方法：实验中用橡皮筋弹力拉小车做功使小车获得速度，橡皮筋弹力是变力，所做功是变力功，中学没有现成公式可计算功的大小。然而，改变橡皮筋条数、保持小车相同的位移，则弹力功的大小与橡皮筋条数成正比。也就是说，在相同位移的情况下，若用一条橡皮筋做功为W，则用两条同样的橡皮筋做功就是2W，用同样的三条橡皮筋做功就是3W……这一倍增法巧妙地避开了功的计算，直接确定了橡皮筋拉力对小车做功的倍数关系。

说明：“倍增法”是一种重要的物理方法，历史上库仑在研究电荷间的相互作用力时曾用过此法，但学生在此前的物理学习中可能未曾遇到类似例子，因此引导学生通过交流，领会“倍增法”的妙处，这是本节课的一个要点．可用体育锻炼中的“拉力器”来类比。

（2）该方案消除摩擦力影响的方法：所用的消除方法与实验方案2一样。也可使用气垫导轨代替木板，以更好地消除摩擦影响。

（3）小车速度的确定方法：①确定打出来的点大致呈现什么规律：先密后疏（变加速），再均匀分布（匀速）；②应研究小车在哪个时刻的速度：在橡皮筋刚恢复原长时小车的瞬时速度，即纸带上的点刚开始呈现均匀分布时的速度；③应如何取纸带上的点距以确定速度：由于实验器材和每次操作的分散性，尤其是橡皮筋不可能长度、粗细完全一致，使得每次改变橡皮筋的条数后，纸带上反映小车匀速运动的点数和点的位置，不一定都在事先的设定点（即用一条橡皮筋拉小车，橡皮筋刚好恢复原长时纸带上的点）处。这是由于小车在几条橡皮筋拉动下运动至设定点时，各条橡皮筋可能在设定点的前或后恢复到原长，从而出现上述情况。

因此，需要对纸带上的点进行分析，比较设定点左右及其之后的若干个相邻两点间距是否基本相同，选择相邻距离基本相同的若干点作为小车匀速运动阶段的点，进而计算小车速度。利用光电门配合气垫导轨，可更准确地测出速度值．所以可对方案3进行改进，由“滑轨＋小车＋打点计时器”变为“气垫导轨＋滑块＋光电门”。

说明：以师生问答的形式进行。提醒学生注意，对于初速度为零的运动，探究内容实质上是指做功与物体的速度之间的关系。

3．实验操作

根据经过改进的实验探究方案，让每组学生选用各自所需的实验器材进行实验。

说明：若橡皮筋弹性较大，则研究变力做功一旦使用条数较多，就会造成小车加速太快、在纸带上打出的点偏少，不利于数据得出，因此建议选用直径较小、弹性也较小的相同橡皮筋。

4．实验数据分析

事先发给每组学生一张实验数据图表，让学生将通过实验得到的相关数据（W和v）填写到表格上，再选两组学生数据输入电脑的Excel表格中。例如某一次变力做功的实验数据为：

说明：利用电脑展现Excel表格。

问题1：W与v之间是怎样的变化关系？

问题2：可否认为W与v之间是简单的正比关系（W∝v）？应该使用什么方法来验证你的猜想？

引导学生发现W与v并非简单正比关系。

问题3：若W与v不是简单正比关系，则可采用什么方法来进一步研究它们的关系？

让各组学生在图3的坐标纸上描点作图，研究W-v图象的规律。

对坐标纸上的点进行拟合，发现W-v图象是一条抛物线，如图4所示。

问题4：抛物线图象说明了什么问题？你对W-v关系有何新的猜想？

学生根据图象会想到W和v²之间可能是正比关系；让各组学生根据已有数据算出v²的值，再在图5的坐标纸上做出W-v²关系图（如图6所示）。

说明：让各小组反馈他们的作图分析情况，由此学生可以得到结论：W与v²之间成正比关系。

5．延伸思考

问题1：在物体初速度不为零的情况下，做功与物体速度变化的关系会是怎样？如何设计实验来进行探究？可否根据已学理论知识进行推导？

问题2：如果要探究竖直方向变力做功与物体速度变化之间的关系，应如何设计实验？请各位同学亲自动手试一试！

发布时间：2009/6/19 下午2:07:35  阅读次数：15778