新课标高中物理教材中一些试验的研讨学习教案

1、会计学1第一页，共49页。 教材教材(jioci)的的变化变化* 数字化实验系统数字化实验系统Digital experiment system 第1页/共48页第二页，共49页。第2页/共48页第三页，共49页。第3页/共48页第四页，共49页。频闪摄影频闪摄影(shyng)一、传统一、传统(chuntng)的的频闪摄影频闪摄影 位置固定的频闪光源，照射运动的物体。适用于拍摄(pish)多种运动体，例如小球。 频闪光源价格高，气体放电闪光管寿命有限。 需要黑暗的环境。胶卷需要洗印。 改进：多只白光LED自制频闪光源，数码相机拍摄(pish)。 二、新颖的二、新颖的“自频闪自频闪”摄影摄影 频

2、闪光源安装于运动的物体上。适用于拍摄较大的、频闪光源安装于运动的物体上。适用于拍摄较大的、只做平动的物体，例如滑块。只做平动的物体，例如滑块。 自制频闪光源，价格低廉，发光二极管寿命长。自制频闪光源，价格低廉，发光二极管寿命长。 高亮度高亮度LED闪光相当强，一般的教室环境中即可。闪光相当强，一般的教室环境中即可。 用数码相机拍摄，即时传送到电脑中显示和处理。用数码相机拍摄，即时传送到电脑中显示和处理。 可作为课外和家庭实验。可作为课外和家庭实验。第4页/共48页第五页，共49页。三、应用三、应用(yngyng)案例案例 自由落体运动自由落体运动实验实验(shyn)装置装置 整套实验装置(zh

3、ungzh)由数码相机、相机三脚架、背景板（黑色）、遥控电磁铁、遥控器和自频闪落体组成 第5页/共48页第六页，共49页。照片照片(zhopin) 注：照片已作裁剪(cijin)处理并逆时针旋转90。第6页/共48页第七页，共49页。序号像素t/sy/m1120.020.00372450.040.01383930.060.028541520.080.046552250.10.068963110.120.095274100.140.125585200.160.159196440.180.1970107810.20.2390119300.220.28461210920.240.3342131267

4、0.260.38781414550.280.44531516560.30.50681618700.320.5723数据数据(shj)图图线线 第7页/共48页第八页，共49页。探究加速度与力、质量探究加速度与力、质量(zhling)的关系的关系一、传统一、传统(chuntng)的实验方法的实验方法 将砝码受的重力数值作为小车所受的拉力将砝码受的重力数值作为小车所受的拉力F，会引起学生质疑，却不好解释，会引起学生质疑，却不好解释。若不质疑，又会留下错误印象。若不质疑，又会留下错误印象。 实验中，很难做到使实验中，很难做到使m M，导致，导致(dozh)此系统误差不会太小。此系统误差不会太小。二、

5、改进的方法二、改进的方法（见教育科学出版社的课本）（见教育科学出版社的课本） 将弹簧测力计安装在小车，直接测量拉力将弹簧测力计安装在小车，直接测量拉力F 。从理论上讲，避免了上述系统误差。从理论上讲，避免了上述系统误差。 运动过程中，无法看清测力计的示数，并且弹簧的振动也使读数不稳。因此上运动过程中，无法看清测力计的示数，并且弹簧的振动也使读数不稳。因此上述方法的可行性有问题述方法的可行性有问题。第8页/共48页第九页，共49页。三、应用自制的数显测力三、应用自制的数显测力(c l)装置装置 数显测力计数显测力计 将灵敏的微型力传感器和可见度较高的数字表头组将灵敏的微型力传感器和可见度较高的数

6、字表头组合起来，满足测量运动物体合起来，满足测量运动物体(wt)(wt)受力这一特定的需求。受力这一特定的需求。成本低，易自制。成本低，易自制。（北京人大附中吴月江老师制作，获第七届全国（北京人大附中吴月江老师制作，获第七届全国(qun u)自制教具一等自制教具一等奖）奖）第9页/共48页第十页，共49页。 实验实验(shyn)(shyn)数据数据1. 小车小车(xioch)质量恒定质量恒定 ：M=428.5g次次F /Nt1/mSt2/mSv1/mS-1v2/mS-1dt/mSa/mS-210.09239.5821.260.2530.4701013.690.21520.13635.1617.

7、720.2840.564868.160.32230.1828.5715.230.3500.657728.640.42140.22425.2313.710.3960.729652.250.51150.26824.8112.740.4030.785618.570.61760.3124.8212.050.4030.830597.340.71570.34724.7311.50.4040.870577.290.806第10页/共48页第十一页，共49页。第11页/共48页第十二页，共49页。2. 拉力拉力(ll)不变：不变：f=0.270N次M/Kg1/Mt1/mSv1/ms-1t2/msv2/ms-1

8、dt/mSa/ms-210.3752.66717.920.55810.880.919487.620.74020.4252.35320.210.49511.860.843536.730.64930.4752.10522.880.43712.730.786588.520.59240.5251.90522.730.434013.220.756595.560.53150.5751.73924.840.40314.10.709640.260.47960.6251.60024.80.40314.280.700645.340.46070.6751.48124.330.41114.620.684650.780

9、.419第12页/共48页第十三页，共49页。第13页/共48页第十四页，共49页。动能动能(dngnng)一、探究做功与速度变化一、探究做功与速度变化(binhu)的关系（的关系（人教社课本）人教社课本）二、探究外力做功二、探究外力做功(zugng)与动能变化的关系（教与动能变化的关系（教科社课本）科社课本） 为了建立动能的概念，并通过实验观察到动能与速度的平方成正比，学为了建立动能的概念，并通过实验观察到动能与速度的平方成正比，学习试探变量间可能存在的关系。习试探变量间可能存在的关系。 采用变力做功，不能测量其具体数值，而是巧妙地控制各次功的比值采用变力做功，不能测量其具体数值，而是巧妙地

10、控制各次功的比值。 必须使用细（必须使用细（k k值小）而均匀的优质橡皮筋。小商品市场有售（或从扁形的值小）而均匀的优质橡皮筋。小商品市场有售（或从扁形的“松紧带松紧带”中拆取）。两端做钩。中拆取）。两端做钩。 可改为橡皮筋弹射小球，借助平抛运动射程测量速度的比值。可改为橡皮筋弹射小球，借助平抛运动射程测量速度的比值。 通过实验观察做功和动能变化的关系，验证动能定理。通过实验观察做功和动能变化的关系，验证动能定理。 采用恒力做功，简化操作和数据处理。采用恒力做功，简化操作和数据处理。 若改用数显测力装置，可以较好地完成实验，减小误差。若改用数显测力装置，可以较好地完成实验，减小误差。第14页/

11、共48页第十五页，共49页。第15页/共48页第十六页，共49页。用高灵敏电子天平代替扭秤，实现对带电用高灵敏电子天平代替扭秤，实现对带电小金属小金属(jnsh)球之间静电力的定量测量球之间静电力的定量测量。第16页/共48页第十七页，共49页。实验组实验组所带电量所带电量（份）（份）距离距离8.0cm时时作用力作用力(mg)距离距离16.0cm时时作用力作用力(mg)第一组第一组124061第二组第二组1/26216第三组第三组1/4175 所测两个球之间的作用力为斥力。 记录的是电子天平的显示值，可改为对应的力的数值（单位为 N） 造成误差的一个原因静电力使小球表面的电荷分布不均匀，因 而

12、不能将其视为两个距离等于(dngy)两球心距的点电荷。典型典型(dinxng)实验数据实验数据说明说明(shumng)第17页/共48页第十八页，共49页。简易库仑扭秤简易库仑扭秤 （第七届全国自制（第七届全国自制(zzh)教具）教具）特点特点 使用使用(shyng)聚四聚四氟乙烯绝缘杆氟乙烯绝缘杆 用激光笔显示扭转用激光笔显示扭转角度角度 增加阻尼叶片增加阻尼叶片 结构简明，易制作结构简明，易制作功能功能 定性定性(dng xng)演示演示（四川尹崇荣老师制作（四川尹崇荣老师制作）第18页/共48页第十九页，共49页。一、演示电容器充放电现象一、演示电容器充放电现象(xinxing)的的目的

13、目的第19页/共48页第二十页，共49页。二、相关二、相关(xinggun)的理的理论论 电容器C 的充电和放电电路 都是一个RC 电路。即使只 用一根导线(doxin)，也存在很小的 电阻R。 充电和放电都需要一定的时间，是一个暂态过程。不是充电和放电都需要一定的时间，是一个暂态过程。不是“瞬瞬间间”完的。完的。 因此，电容器两端的电压因此，电容器两端的电压 u 不可能不可能“突变突变”。在。在 R 恒定的条恒定的条件下，件下，u 和和 i 都依照时间都依照时间 t 的指数函数的指数函数(zh sh hn sh)变化。变化。RCteii0)1 (0RCteuuRCteuu0 充电过程中：充电

14、过程中： ， 。 放电过程中：放电过程中： ， 。RCteii0上述各式中，乘积上述各式中，乘积 RC 具有时间量纲，叫做这个电路的具有时间量纲，叫做这个电路的时间常数时间常数。0037. 01iiei当当 t = RC 时，时， ，因此，因此 RC 反应了充放电的快慢反应了充放电的快慢。第20页/共48页第二十一页，共49页。1. 莱顿瓶（古典的实验莱顿瓶（古典的实验(shyn)）2. 用起电机充电，看不到现象和过用起电机充电，看不到现象和过程。用放电叉放电时产生火花（光程。用放电叉放电时产生火花（光、声）。、声）。2. 小灯泡和电容器小灯泡和电容器直观显示电容器储存直观显示电容器储存(ch

15、cn)能量能量E。221CUE 实验成功的关键：有足够大实验成功的关键：有足够大的时间常数的时间常数RC，得以完整地显示，得以完整地显示出这种暂态过程。出这种暂态过程。 常用小灯泡的常用小灯泡的 R 较小，所以要用较小，所以要用很大的电容很大的电容 C (10 4F 1F)，这样储，这样储存能量也较多。存能量也较多。 定性显示充放电过程中电流强度的变化。定性显示充放电过程中电流强度的变化。法拉级电解电容器法拉级电解电容器第21页/共48页第二十二页，共49页。3. 发光二极管（发光二极管（LED）和电容器）和电容器 能显示充放电过程中电流能显示充放电过程中电流(dinli)的方向，的方向， 并

16、定性显示电流并定性显示电流(dinli)强度的变强度的变化。化。 也需要较大的时间常数，所以要也需要较大的时间常数，所以要用用 相当大的电容相当大的电容 C，并串入电阻器增，并串入电阻器增加加 电路中的电路中的R值。值。 LED的门限电压会造成电容器充的门限电压会造成电容器充不不 足、放不净。足、放不净。4. 电流表和电容器电流表和电容器（1）用课本）用课本29页中图页中图1.8-1 所示的电所示的电路做实验看不到电容器的充放电现象路做实验看不到电容器的充放电现象(xinxing)。因为电流表的电阻。因为电流表的电阻RA太太小（如小（如J0408型的型的0.6A挡仅挡仅0.125）,使电路的时

17、间常数太小。使电路的时间常数太小。第22页/共48页第二十三页，共49页。C： 1000F R：4.7k RA R 时间常数时间常数= RC = 4.7 s E：6V 初始电流初始电流 i0 =E/R=1.28mA电流表：电流表：-1 0 1mA（量限稍小于初始电流，指针摆动（量限稍小于初始电流，指针摆动明显，也不会损伤明显，也不会损伤(snshng)电表电表） 使用零点在中央的演示电流表。能显示电流的方向和大小使用零点在中央的演示电流表。能显示电流的方向和大小(dxio)的定量变化。其量程要依据的定量变化。其量程要依据R和电源电压和电源电压E选择。选择。（2）正确）正确(zhngqu)的设的

18、设计计 在电路中串入足够大的电阻，并选用大电容，使时间常数在电路中串入足够大的电阻，并选用大电容，使时间常数足够大（如几秒）。足够大（如几秒）。 电流表指针系统的惯性和阻尼使显示滞后于电流电流表指针系统的惯性和阻尼使显示滞后于电流的变化。的变化。第23页/共48页第二十四页，共49页。1.用图线显示电容器的充电和放电过程，直观、准确、无滞后。（课本用图线显示电容器的充电和放电过程，直观、准确、无滞后。（课本上的图不全面）上的图不全面）2.认识到电容器上的电压不能突变，充电和放电电流都是逐渐衰减的。认识到电容器上的电压不能突变，充电和放电电流都是逐渐衰减的。3.可以可以(ky)由电容器上电压的变

19、化反映能量的转化。由电容器上电压的变化反映能量的转化。4.可以可以(ky)显示显示R、C 值影响充放电的快慢。值影响充放电的快慢。5.可以可以(ky)进一步探究这一种典型的暂态过程的定量规律。（用进一步探究这一种典型的暂态过程的定量规律。（用Excel处理实验数据，得到在处理实验数据，得到在 R 恒定时恒定时 i 为为 t 的指数函数）的指数函数）实验实验(shyn)电路电路特点特点第24页/共48页第二十五页，共49页。E = 6 V ，C = 1000F，R = 300，时间常数，时间常数 RC = 0.3 s，i 0 = 20 mA 。电流电流(dinli)传感器量程：传感器量程：0 2

20、0 mA ， 电压传感器量程：电压传感器量程：0 20 V 。 上图：上图：i 的变化的变化(binhu)下图：下图：u 的变化的变化(binhu)分别建立分别建立 i - t 和和 u - t 坐标，时间上同步采集坐标，时间上同步采集结果结果第25页/共48页第二十六页，共49页。 i 的变化(binhu) uC 的变化(binhu)（同一个时间横坐标，（同一个时间横坐标， 分别建立分别建立(jinl)电流和电压两个纵坐电流和电压两个纵坐标）标）第26页/共48页第二十七页，共49页。RC 回路回路(hul)中中 , 对比对比 R 值不同对充放电快慢的影值不同对充放电快慢的影响响第27页/共

21、48页第二十八页，共49页。n认识到比值认识到比值Q / U 反映了电容反映了电容器自身的属性器自身的属性引入电容的引入电容的概念。概念。第28页/共48页第二十九页，共49页。 利用系统提供的软利用系统提供的软件，进行件，进行“求积分求积分(jfn)”操作，由曲线与操作，由曲线与 t 轴之间图形（黄色）轴之间图形（黄色）的面积求出充入和放出的面积求出充入和放出的电量的电量Q。 然后计算然后计算(j sun)比值比值Q / U 。 第29页/共48页第三十页，共49页。次次U/VQ / m CQ / U充电充电放电放电平均平均16.276.556.666.601.0510324.704.944

22、.834.881.0410333.133.193.383.281.0510341.571.571.631.601.02103注：注： R = 300， 被测电容器的标称被测电容器的标称(bio chn)值值 1000F结论结论(jiln)：同一个电容器，比值：同一个电容器，比值 Q / U 为定值。为定值。第30页/共48页第三十一页，共49页。（2）不同）不同(b tn)的电容器，都用的电容器，都用4节干电池充、放电节干电池充、放电电容器电容器 编号编号U/VQ / m CQ / U充电充电放电放电平均平均 16.065.875.705.790.96103 26.0611.711.611.7

23、1.93103 36.0617.717.517.62.90103结论结论(jiln)：不同的电容器，比值：不同的电容器，比值 Q / U 不同。不同。R = 3001号电容器（标称号电容器（标称(bio chn)1000F）2号电容器（标称号电容器（标称2000F）3号电容器（标称号电容器（标称3000F）第31页/共48页第三十二页，共49页。六、影响电容六、影响电容(dinrng)器电容器电容(dinrng)大小的大小的因素因素 分析：静电计也具有电容分析：静电计也具有电容C0 ，用静电计测量时，用静电计测量时， 相当于平行板电容器的电容相当于平行板电容器的电容 C 与与 C0 并联，并联

24、， 静电计将带有电量静电计将带有电量(dinling)Q 0 ，两者电势差相等。有，两者电势差相等。有 。 改变平行(pngxng)板电容器的电容 C 时，两者间的电荷要重新 分配。只有当C0 C 的条件下，才能近似认为平行(pngxng)板电容 器所带的电量Q 不变。 实际情况：实际情况：C 和和C0 值，都可用数字万用表的电容挡测出：值，都可用数字万用表的电容挡测出：常用静电计的常用静电计的C0 约约3 4pF，直径，直径25cm的圆盘形平行板在空气的圆盘形平行板在空气中正相对、间距为中正相对、间距为1cm 时时C 约约45pF。 00CCQQ 问题：问题：右图实验中，改变两个金属板的距右

25、图实验中，改变两个金属板的距离、正对面积、两板间介质时，板上所带电量离、正对面积、两板间介质时，板上所带电量是否真的保持不变？是否真的保持不变？普通的电解电容器和法拉级电容器为什么会有那么大的电容？普通的电解电容器和法拉级电容器为什么会有那么大的电容？第32页/共48页第三十三页，共49页。硅硅 二极管二极管1N4004的正向的正向(zhn xin)伏安特性伏安特性（又一种常见的非线性元件）（又一种常见的非线性元件）硅管的硅管的门限电压门限电压：约：约0.65V可用小灯泡作简单的演示可用小灯泡作简单的演示 初步认识单向导电性。初步认识单向导电性。认识实际的二极管存在正向电阻。认识实际的二极管存

26、在正向电阻。但不是定值，通过的电流越大时电但不是定值，通过的电流越大时电阻越小。阻越小。 67页页实验实验正向曲线的形状正向曲线的形状导通后，电压增加少许，电流将剧烈增加。导通后，电压增加少许，电流将剧烈增加。因此为了防止烧毁，应当控制正向电流的大因此为了防止烧毁，应当控制正向电流的大小，而不是用电压值来控制。小，而不是用电压值来控制。课本上课本上47页图页图2.3 5中不准确，（正向曲线似中不准确，（正向曲线似为锗管的，但反向似为硅管的）。为锗管的，但反向似为硅管的）。实测某种型号二极管的正向曲线如右图。实测某种型号二极管的正向曲线如右图。第33页/共48页第三十四页，共49页。测量二极管正

27、向(zhn xin)特性的电路发现发现(fxin)问题问题采取采取(ciq)对策对策 使用普通的指针式电压表和使用普通的指针式电压表和毫安表，它们的内阻毫安表，它们的内阻R V、 RA 造造成的系统误差相当大，特别是在从截成的系统误差相当大，特别是在从截止转为导通的过程中的数据。止转为导通的过程中的数据。 取甲图电路，改用数字取甲图电路，改用数字万用表的电压挡测电压。万用表的电压挡测电压。（内阻（内阻10 10 M） 或取右图电路，普通指或取右图电路，普通指针式电压表，采用补偿法针式电压表，采用补偿法测电压。测电压。第34页/共48页第三十五页，共49页。 在新鲜的苹果中插入面积不小于在新鲜的

28、苹果中插入面积不小于3 cm 2 的铜片的铜片和铁片（大些更好），相距约和铁片（大些更好），相距约7mm （近些更好）。（近些更好）。 用数字万用表测电压（电表内阻用数字万用表测电压（电表内阻10M)，直流微安表（，直流微安表（0 - 200A、J0415型）测电流型）测电流(dinli)，10k的电位器调节电流的电位器调节电流(dinli)。汪维澄老师实验结果汪维澄老师实验结果 ：(用用Excel 处理数据处理数据(shj)拟拟合图线合图线 )E = 0.394V ，r = 6.0 k水果电池水果电池不同水果、不同材料电极得到的不同水果、不同材料电极得到的 E 不同。不同。加大极板面积、减小

29、极板间距，可减小电池的内阻。加大极板面积、减小极板间距，可减小电池的内阻。铁丝表面镀锌，铁丝表面镀锌， 电极材料相当于锌，与铁钉不同。电极材料相当于锌，与铁钉不同。第35页/共48页第三十六页，共49页。1. 使用电流使用电流(dinli)天天平平 依据依据 。较精。较精密，不方密，不方便。以前配备有专用教便。以前配备有专用教学仪器。学仪器。ILFB 霍尔元件霍尔元件：由硅、锗、砷化铟由硅、锗、砷化铟 等半导体材料的薄片制成，等半导体材料的薄片制成， 加外封加外封 装，装， 4个引出端。个引出端。 （103页）价格页）价格2元。元。原理：原理： 霍尔效应霍尔效应 UH = KH B I , 使

30、使I 、 KH 恒定，则霍尔电压恒定，则霍尔电压UH B。演示：演示：I = 10mA，恒流。，恒流。 数字表数字表 mV档（内阻档（内阻10M）测）测 UH 。第36页/共48页第三十七页，共49页。3. 使用磁传感器测量使用磁传感器测量 （需要与数字化实验（需要与数字化实验(shyn)系统连接，见系统连接，见 课本课本89页）页） 如何判定如何判定B的方向？的方向？ 达到前述状态时，若读达到前述状态时，若读 数为正值，则数为正值，则 B 的方向如右的方向如右 图；若读数为负值图；若读数为负值(f zh)，则，则 B 的的 方向与右图相反。方向与右图相反。 如何测定如何测定B的大小？的大小？

31、 将探头放在待测的磁场中，测出的是将探头放在待测的磁场中，测出的是 B 沿着其轴线的沿着其轴线的 分量。所以必须将探头端部在原地转动，使测量读数分量。所以必须将探头端部在原地转动，使测量读数(dsh)（绝对（绝对 值）达到最大，才是此位置的值）达到最大，才是此位置的 B 值。值。 探头探头 前端内装有线性霍尔集成电路块前端内装有线性霍尔集成电路块H（内含霍尔元件和（内含霍尔元件和 线性放大器，型号线性放大器，型号3503），为矩形小片，），为矩形小片，3 根引脚。根引脚。第37页/共48页第三十八页，共49页。4. 研究研究(ynji)通电直螺线管内的磁场通电直螺线管内的磁场 （课本（课本89

32、页图页图3.3 - 14）（1）短线圈纵轴线上磁感应强度的分布）短线圈纵轴线上磁感应强度的分布线圈直径线圈直径(zhjng)2.5cm，长，长7cm，匝数，匝数1200。电流电流 I = 0.40A 恒定。恒定。（2）长线圈纵轴线上磁感应强度）长线圈纵轴线上磁感应强度(qingd)的分布的分布线圈直径线圈直径2.5cm，长，长16cm，匝数，匝数3000。电流电流 I = 0.20A 恒定。恒定。 与线圈几何形状的关系与线圈几何形状的关系除去靠近端口部分，中间很大区域是匀强的。除去靠近端口部分，中间很大区域是匀强的。理论公式：理论公式：对于无限长的螺线管对于无限长的螺线管nIB00 真空的磁导

33、率真空的磁导率n 单位长度内的匝数单位长度内的匝数第38页/共48页第三十九页，共49页。 与通入电流强度与通入电流强度(din li qin d) I 的关系的关系在前述在前述400匝线圈内匝线圈内 B 最大的位置最大的位置(wi zhi)探测，结果：探测，结果：B 与与 I 成正比成正比 。 与线圈单位与线圈单位(dnwi)长度匝数长度匝数 n 的关系的关系在前述在前述400匝线圈外加层再绕匝线圈外加层再绕400匝，不改变线圈长度。匝，不改变线圈长度。I = 0.30A 恒定。恒定。结果：结果： B 与与 n 成正比成正比 。匝数匝数400800B / mT1.653.37第39页/共48

34、页第四十页，共49页。通电自感通电自感(z n)现象现象断电自感现象断电自感现象第40页/共48页第四十一页，共49页。三、有关三、有关(yugun)自感的一些自感的一些理论理论 电感线圈L 在通电和断电的过程中都是一个RL电路。即使不外接电阻，也存在(cnzi)线圈自身的电阻 r 。 由于产生由于产生(chnshng)自感电动势，通电时线圈中电流的增长和断电自感电动势，通电时线圈中电流的增长和断电时电流的衰减都需要一定的时间，是一个暂态过程。也就是说，电感线时电流的衰减都需要一定的时间，是一个暂态过程。也就是说，电感线圈中的电流圈中的电流 i 不可能不可能“突变突变”。当。当R 恒定，空心线圈的恒定，空心线圈的 L 恒定时，则恒定