高一-必修2-功与物体速度之间的关系

1、高中物理(必修二)课时教案7.6 探究功与物体速度变化的关系【设计思想】1、围绕实验设计、实验操作与实验数据处理三个环节引导学生展开探究过程。通过小组讨论、课件演示、动手实验和实验数据处理等一系列活动激发学生主动参与的积极性和和学习的热情。教师根据知识发生、发展与变化的过程通过穿针引线的方式积极引导学生进行探索性学习，努力激发学生学习的兴趣，培养学生探究发现和合作学习的能力。2、采用“问题讨论实验归纳”的探究性教学模式，使学生在获得知识的同时，学会科学研究的方法，经历伴随着探究活动的深入而产生的情感体验。【教材分析】在前面几节内容中，已经成功地建立了重力势能的概念，清楚了重力的功与重力势能改变

2、量间的关系，也探究了弹性势能的表达式。那么，力对物体所做的功与物体的动能间又有什么关系呢？应该从什么途径出发进行研究呢？显然，既可以从已有知识出发通过逻辑推导的方法进行研究，也可以通过实验的方式进行探究。引入“探究功与物体速度变化的关系”的目的就在于给学生增加探究与体验的机会，提高理论联系实际的水平，并有效地促使学生在探究中开阔思路，在分析问题和处理问题的过程中提高探究问题的水平。因此，本节内容从实验的方向进行探究。对教师来说，这是一节较难驾驭的内容，无论从教学设计，还是实验准备来说，都有相当的难度。教师要积极创造条件，让学生亲身经历实验探究的过程。本节内容的设计中，采用橡皮筋拉小车，使小车获

3、得动能的过程中，探究橡皮筋做的功与小车速度变化的关系。由于橡皮筋的弹力随其长度改变量间的关系是非线性的，因而橡皮筋对小车的功无法用现成的公式进行计算。本实验的精妙之处就在于巧妙地回避了功的计算。因为如果一条橡皮筋对小车做功为时，两条橡皮筋对小车做的功就是2W，三条橡皮筋对小车做功为3W，依次类推，各次实验中橡皮筋对小车的功都可以用的倍数来表达，再利用打点计时器来测定各次实验中小车的速度，根据一系列橡皮筋的功和与之对应的小车速度的测量值即可找出功与物体速度变化间的关系。从本章知识的整个体系来说，本节教材只是为下一节“动能和动能定理”的理论推导奠定一个认识基础，在教学中应灵活把握。通过“探究功与物

4、体速度变化的关系”的实验，也可以有效地促使学生在学习动能定理后能比较深刻地认识到动能定理不仅对恒力做功的条件下成立，在变力做功的情况下也是成立的。【学情分析】学生在本章的前几节内容中，已经初步树立了功是能量变化的量度的观念。那么，力对物体所做的功与物体动能的改变量间存在着什么关系呢？这是学生急待解决的问题。引入“探究功与物体速度变化的关系”这节内容正所谓急学生所急，但如果运用恒力做功的方式来探究功与物体速度变化间的关系，可能会使学生产生审美疲劳，因为我们在“探究加速度与力、质量的关系”时已经用过这套实验装置。现在，选择利用橡皮筋的拉力做功来探究功与物体速度变化间的关系，不仅考虑到这样处理容易使

5、学生产生新鲜感，进而产生探究的兴趣，也因为变力做功对实际问题来说更具有普遍性。这样的设计思路，把不便于用公式进行计算的橡皮筋对小车的弹力的功通过思维的变换，用改变橡皮筋条数，保持小车在相同距离的条件下，弹力做功的大小与橡皮筋的条数成正比来取代，这是一种极其巧妙地思路，也是一种很好地进行科学探究的思维方法。同时，也非常符合中学生的认知特点，对开阔学生的视野，提高科学素养等方面都会产生积极的影响。【教学目标】（1）知识与能力能够领会探究功与物体速度变化的关系实验的设计思路。明确用一根橡皮筋所做的功为单位简化问题的思想方法，知道利用小车做匀速运动阶段测量速度比较合理。（2）过程与方法能独立进行实验操

6、作，会采集实验数据。能够对实验数据进行分析与处理中寻找W与v的关系。（3）情感态度与价值观让学生经历自主探究、合作学习的情感体验。【重点难点】本节教学内容的重点是实验方案的设计与筛选，难点是通过对实验数据的分析得出功与物体速度变化的关系。【教学策略与手段】教师在本节课的授课中难以驾驭的是如何引导学生进行积极地思考，使学生既能发挥创造性思维，也能够围绕本节的重点把探究活动深入下去。因此，本教学设计中，采用学生分组实验的方法。在教师适当的引导下，通过学生自主探究和合作学习的方式展开教学过程，努力使学生在经历探究的过程中，增强问题研究的意识，提高分析问题和解决问题的能力。【课前准备】1、学生分组实验

7、器材的准备（准备12组实验）小车（前端带小钩，选择有轮缘的轮子，以尽可能保证小车作直线运动）； 100g200g的砝码；用铝合金轨道做成的斜轨道、并在斜轨道一端的两侧适当位置对称地固定两个用于固定橡皮筋的铁夹子；电火花计时器及纸带； 6根等长的橡皮筋。2、教师辅助教学资料三段视频资料（如奥运会射箭比赛，足球运动员射门的情景，龙卷风、雪崩、热带风暴等）；PPT课件；用打点计时器研究自由落体运动与探究加速度与力、质量的关系的实验装置各一套。3、有关器材的选择（1）橡皮筋的选择从本实验的设计思路看，橡皮筋的选择是关键。本实验要求用相同规格的橡皮筋，但市场上常见的橡皮筋（圈）粗细不一，一致性差，不同橡

8、皮筋（圈）之间的弹力差异也比较大。而且由于橡皮橡皮筋比较粗，弹力偏大，当实验中橡皮筋的数目增至4根以上时，弹力过大，纸带上打出的点数过少，以致找不出小车作匀速运动时所打出的点。因此，市场上常见的橡皮筋（圈）并不适合用在本实验中。现在，市场上可找到的如图1所示的横断面为圆形、单根半径约为0.7mm的橡皮筋比较适合于本实验。选择橡皮筋时，应该让学生参与进来，这是提高学生分析解决实际问题能力的好机会。（2）实验装置的安装如图2所示，先固定好电火花计时器，将6根等长的、长度约为62cm的同规格的橡皮筋固定于斜轨道一端两侧并呈对称分布的铁夹子A、A上。小车放在B处时挂上一根橡皮筋（使橡皮筋处于自然长度）

9、，并使AB间的长度大于BC间的长度。实验中，橡皮筋的长度、AB、BC间的距离要视橡皮筋的具体情况做适当的调整，使小车从B位置到C位置的长度BC保证在橡皮筋的弹性限度内。（3）实验操作情况控制小车质量约200g，当实验中加到多条橡皮筋时，由于小车的运动速度过大，纸带上打出的点数就可能太少，从而难以选择合适的点来计算小车的速度。为此，可在小车上加100g200g的砝码。这样，实验时可以依次加到6根橡皮筋，打出6条纸带，在用图象法进行数据处理时，包括开始点（速度为零的点，即坐标原点），就有7个点，在描绘曲线时也比较容易判断曲线的函数特征。【教学过程】（一）课题的引入师：我们已经成功地建立了重力势能的

10、概念，知道了重力的功与重力势能间的关系，也探究了弹性势能的表达式，知道了弹力的功与弹性势能间的关系。那么，力对物体所做的功与物体的动能间又存在着什么关系呢？生：（进行议论）师：请同学们先仔细看看下面的录像（创设情景，激发学生探究的欲望和热情）。播放视频1：自然界中能引起强烈震撼的体现动能能量的多媒体视频音像小片段（如龙卷风、雪崩、热带风暴等，这些资料可上网查找下载，也可由电视节目中录像得到）。播放视频2：足球世界杯赛中，足球运动员射门的情景。播放视频3：奥运会射箭比赛中，拉开的弓把箭射出的情景。提出问题：足球射门中，运动员射箭时，足球与箭的都获得了动能。据测算，足球射门时，其速度最大可达到10

11、0m/s左右，这些动能是从哪里来的？说明：先让学生回答后，教师进行适当地点拨指导。师：外力的功会引起物体动能的变化。功与物体动能的变化量间又存在着什么关系呢？生：师：我们知道，物体的动能与它的速度是密切相关的，而物体速度的变化又与它所受力的功有关。那么，功与物体速度的变化间又存在着怎样的关系呢？生：师：探究功与物体速度变化的关系时可以采用什么方法？说明：教师引导学生认识到要探究功与物体速度变化的关系，既可以从理论的层面进行逻辑推导的方法进行研究，也可以通过实验的方法进行探究。今天，我们通过实验的方法来探究功与物体速度变化的关系。（二）实验方案的设计与选择师：我们应该采用什么实验方案进行探究呢？

12、请同学们先设计一个合适的实验方案。说明：（稍顷）让学生交流所设计的实验方案（指定几名学生在黑板上画出，其余学生在草稿纸上画，教师选择在巡回指导中注意到若干典型的设计方案在投影仪上打出）。师：同学们提出了许多实验方案，我们应选用什么方案比较好呢？请同学们认真考虑一下，利用实验探究功与物体速度变化的关系时需要测量哪些物理量？生：测量力对物体认真所做的功及力对做了这个功后物体运动的速度。师：在实验探究中应如何对物体做功？又应该怎么表示每次做功的大小呢？生：分组讨论：（引导学生在讨论中明确）既可以考虑用恒力做功，也可以用变力做功。若用恒力做功，譬如，用如图3所示的砝码盘牵引着小车做实验，可以通过改变砝

13、码盘的质量的方法来改变功的大小，用W=FS表示功的大小，并引导学生思考怎样在实验中具体地测出功。当然，也可以选择在斜面上或竖直方向上运动的情况进行探究。引导学生思考：能否设计一个实验来探究变力的功与物体速度变化的关系呢？说明：引导学生回忆射箭运动员射箭时的情景，若用小车代替箭、用橡皮筋代替弦，把车放在轨道上，我们是否能够设计一个实验来研究功与物体速度变化的关系呢？学生分析讨论后得出可以考虑用教材中图7.6-1所示的方法进行实验（教师出示图2所示的实验器材，它由教材中图7.6-1所示所用的实验改进而成，因为直接采用教材中的实验装置很难进行实际操作），通过每次增加一根橡皮筋的方法来改变功的大小。师

14、：那么，物体运动的速度应怎么测量呢？分组讨论：（教师引导学生讨论）学生很容易想到用打点计时器，也可以考虑用气垫导轨配套的光电门测量速度，或用红外线传感器直接测量物体的速度。师：我们应该选用什么方法测量物体运动的速度比较好呢？分组讨论：（教师引导学生通过讨论选定采用的方案）采用各种方法时各有什么优缺点？根据现有的实验条件，选择什么方案好呢？说明：在用各种不同的方法测量小车的速度时，教师应引导学生明确：首先要通过各种途径了解实验的原理。让学生认识到，实验的目的不仅仅是为了动手实验，更是为了通过不断地动脑和不断地解决问题的过程中提高分析问题和解决问题的能力。实验的价值也体现在这里。师：在设计实验方案

15、时，要根据实验目的与现有的实验条件进行选择，当利弊共存时，要辩证地选择合适的方案，而不是一味地追求所谓的精确。师：（在学生通过充分地思考与讨论形成较为清晰的思路的基础上，与学生约定）今天，我们就利用教材中的实验方案进行实验探究。那么，我们在实验探究前首先要明确哪些内容呢？生：（教师引导学生分四人小组进行讨论）师生互动：（教师组织学生进行交流）学生通过讨论后认为进行实验前首先要解决的问题有：（1）实验中需要首先解决哪几个关键的问题？（2）实验装置应怎么组装？（3）实验的程序？（4）怎样进行实验数据的采集、分析与处理？说明：教师引导学生展开进一步地思考与讨论，并通过班集体的交流中明确对策的同时，教

16、师适时地在黑板上写出点睛式的板书：（1）橡皮筋的选择：要选择粗细差不多，弹性也比较一致的橡皮筋为好。（2）功的确定：橡皮筋的弹力的功不便于用公式计算，然而改变橡皮筋的条数，保持小车相同的运动距离，则弹力做功的大小与橡皮筋的条数成正比。因为如果一条橡皮筋对小车做功为W时，则两条橡皮筋对小车做的功就是2W，三条橡皮筋对小车做功为3W，依次类推，各次实验中橡皮筋对小车的功可以用的倍数来表达。（3）橡皮筋的弹力的功是不是就是我们所探究的问题中的哪个功呢？不是，因为实验中除了橡皮筋的弹力做功，还有摩擦力做功，摩擦力若忽略不计，将影响实验的精度。（4）如何消除摩擦力的影响呢？使轨道倾斜一个合适的角度，让重

17、力沿斜面向下的分力来平衡摩擦力。可以轻轻推一下小车，并利用打点计时器打出的纸带上的点的分布情况来判断小车是否作匀速运动。（5）如何测定小车的速度？实验获得的是如图4所示的纸带，为探究橡皮筋弹力做功与小车速度的关系，需要测量的是弹力做功结束时小车的速度，即小车做匀速运动的速度。所以，应该在纸带上测量的物理量是图中A1、A3间的距离S，小车速度的表达式为v=s/2T，其中T是打点计时器的振动周期。（6）利用W-v图象进行实验数据的处理比较直观方便。（7）实验器材的选择：小车（前端带小钩，轮子做成有轮缘的火车轮子那样，以尽可能保证运动中的直线性）；100g200g的砝码；用铝合金轨道做成的斜轨道、并

18、在斜轨道的一端的两侧适当位置对称地固定两个用于固定橡皮筋的铁夹子；电火花打点计时器及纸带；6根等长的橡皮筋。（8）实验步骤：用天平测出小车的质量（加砝码），大约300g。安装好实验器材。平衡摩擦力。依次用一根、两根、三根、六根橡皮筋，拉小车，接通电源，放开小车，打点计时器在纸带上打下一系列的点，取下纸带，在纸带上标上“次别号码”。 在预先设计好的表格中，记下各次实验中小车作匀速度运动时的速度和橡皮筋对小车所作的功。利用W-v图象分析小车运动的动能与其速度的关系。 （三）实验操作与相关数据的采集  师：请同学们分四人小组组装好有关器材，进行实验。  说明：在学生开始

19、进行实验操作前，先提醒学生对拉小车与纸带、挂橡皮筋、对打好的纸带进行实验数据采集、实据数据的分析处理等工作进行适当的分工。让学生分组通过合作学习的方式进行大约15分钟的实验，教师进行巡回指导，特别是对哪些动手能力比较弱，实验技能也相对比较差的小组要进行耐心地指导，必要时可以加入到学生的行列中，以小组中一员的姿态出现在学习的实验探究过程中。教师在巡回指导中，要眼观六路，耳听四方，要认真收集学生在实验中反映出来的比较好的思路和做法，也要注意收集学生在实验中反映出来的一些模糊认识、甚至是错误的东西，以便在对实验情况进行讲评的环节中，有的放矢，充分体现教师的主导作用，从而更好地达到分组实验的目的。（四

20、）实验数据的分析与处理师：（待学生们基本做好实验后，教师要抓住学生在实验操作、数据处理和得出W-v图象过程中的不足之处甚至错误之处进行分析与点评）我们一起来看看实验情况。（1）应该用平滑的线连接W-v坐标轴上的点，得到平滑的曲线。（2）因为在W-v坐标系中描绘出W、v的各对应点后，既要观察各点的位置关系，又要考虑这些点间应有的函数关系。而由于存在着实验误差，这些点的位置既可能表现为直线分布，也可能呈曲线分布。如果实验得到的各点在W-v坐标系中大致呈线性分布，又如何解释？如何处理？说明：为了使得W-v坐标平面上各对应点分布成非线性。可以考虑采用以下几条措施：一是，在小车上加砝码，通过增加小车质量

21、的方法，使小车速度不致过快。二是在画W-v曲线时加大W坐标轴的单位长度。三是从原点O开始描绘图线。（3）在W-v图象中得到W、v是一条曲线，说明什么问题？是否可以说明W、v间呈双曲线分布关系？为什么？请同学们认真想想，是否可以运用其它办法来分析W、v间的函数关系？说明：在讨论过程中，要适时地引导学生思考是否可以通过描绘W-v2图线来看看W、v间的函数关系。（4）在要求学生W-v坐标平面通过描图的方式寻找W、v间的函数关系的基础上，有条件的学校，用Excel软件进行数据处理。在“添加趋势线”选项中可以实现线性，2次、3次、n次等多种曲线性质的选择，使W-v坐标平面上作出的各W、v离散点间拟合出来

22、的曲线的性质更加直观明确，如图5、图6所示。（5）实验结论：（引导学生得出结论）功与物体速度的平方成正比。 （五）教学流程与作业设计1、教学流程2、作业设计（1）初速度不为零时，功与物体速度变化的关系又是怎样的呢？（2）功与物体的质量间存在什么关系？请你设计一个实验进行探究之。（3）你能运用已有的知识通过理论推导的方法，得出功与物体速度变化的关系式吗？【教学反思】人教版普通高中课程标准实验教科书物理必修中引入“探究功与物体速度变化的关系”内容的目的在于给学生增加探究体验的机会，提高学生理论联系实际的水平。但对教师来说，这是一节非常难以驾驭的内容，无论是教学设计，还是实验准备，都有相当的难度。尽管探究的目的非常明确，无非是为了得出功与物体速度变化的关系，明确探究实验的设计思路以及实验数据的采集与处理。但为什么要设计一个这样的实验？通过探究活动，学生在思维的发散与聚合的层次上、在分析考虑问题的能力上、在对已有知识进行分析与综合的水平上，将经历一些怎样的情感体验？会