人教版物理必修②《探究功与物体速度变化的关系》教学设计

人教版物理必修探究功与物体速度变化的关系教学设计【设计思想】以学生为中心，注重生生互动、师生互动。在教师引导下充分让学生大胆猜想、自主设计、自主操作，利用小组讨论、汇报交流、协同操作，全面体验感悟实验探究的各个环节，培养学生自主探究、合作学习的能力。针对研究的问题-功与速度变化的关系，引导学生进行实验方案的设计，经过交流比较，设计出既与教材相联系、又不被教材所束缚的创新实验方案，突出学习与创新相结合的教学理念。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。【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。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。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）体验实验方案确定过程的探究思路（2）体验实验操作过程中控制实验条件的方法（3）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）【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。【课前准备】1、带滑轮的小车（约300g，车一端固定一小钩，另一端夹一夹子）（如图1）（图1）2、导轨（一端固定两个小铁柱，另一端可改变高度）（如图1）3、橡皮筋（两头绑有小圆环，按放在长木板上，每组6根）（如图2）4、电火花打点计时器（带纸带、墨粉 （图2）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、提升实验探究中获得的思维能力及动手能力。)教师：小结“研究思路”：提出问题猜想假设实验检验得出结论。接着提出新问题：若小车V00，功与速度变化又有什么关系呢？你能从理论上寻找功与速度变化的关系吗？(点评：归纳一般的研究思路，对学生以后的探究具有指导意义。在解决一个问题后思考新的相关问题，可使问题研究更全面、更深入，在培养解决问题的同时提升提出问题的能力，对学生将产生深远的影响。)【板书设计】 【作业设计】1、课后完成实验报告。2、请设计实验探究V00时功与速度变化的关系，并从理论上加以推导。【问题研讨】1、教材中实验方案采用木板，在实验时存在两个方面的不足： 弹射小车时，小车运行不稳（小车在向前运动的同时常左右偏移）。橡皮筋恢复原长后，松落在小车前方的木板上，对小车弹射后的运动造成阻碍。为解决上述两个不足之处，把木板改成导轨（如图1、图5），这样可使实验更顺利的进行。2、本实验中有关橡皮筋的选用起到一个关键作用。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，用来做实验基本可行。最好是选用圆柱状粗细相当均匀的橡皮筋（如图2），在剪割时要竖直悬挂，以便每根剪的一样长。同时，应在每根橡皮筋的两端结上统一的细小铁圈，6根一组安放在一长木板上的两小钉之间（如图2），便于取用及存放，以免使用时橡皮筋互相缠在一起影响实验进行。3、数据图象处理时有两种手段：传统的坐标纸手工描点绘线，计算机软件（Excel）描点拟合图线。前者体现物理实验作图的本质，后者体现现代技术的便捷，各有特长，教师要灵活选用。由于前者更能反应物理本质，所以本实验中要优先选用，让学生亲历一次体验；又由于本课时内容较多，从时间上考虑，WV图与WV2图都用手工描图不允许，建议WV图用手工描绘，而WV2图用计算机软件（Excel）描绘，这样处理更合理。9