感知与测量音速创新实验及教学设计

感知与测量音速（说课稿）使用教材及学情分析（一）使用教材本节实验创新课源自：教育科学出版社2013版八年级物理上册第三章第一节《认识声现象》，本节内容主要讲述了声音的产生、传播、以及声音在各介质中的速度等内容。同时教材还通过讨论交流：《声的传播有多快》如图1所示，力求通过观察、实验和学生已有的感性知识，使学生对声音在空气中的声速有直观的感受。（图1）（二）学情分析 八年级的学生在小学科学里已经接触过简单电路的一些知识，声光控延时灯在生活中的接触也让其对声控灯的点亮有了感性认识。同时他们已经开始学习科学的探究方法，他们对科学现象有很大的好奇心。系统化的培养其科学思维与动手实践的能力十分重要。所以开展感知与测量音速的实践活动就是深刻的学习过程。驱动问题/实验器材（一）驱动问题空气中的音速究竟有多快呢？教材中百米赛跑中的计时问题引发了学生对何时开始计时的疑惑，同时随着国内外形势的变化，学生也非常关注我国第五代隐身战机歼20，该战机是超音速战机，比340m/s这个冰冷的数字，让学生亲身感受尤为重要，故本实验的驱动问题被提出：感知与测量音速。（二）灵感来源声光控延时灯就是学生在日常生活场景中能体验到的，在学生所在的住宅小区、学校教学楼均能见到其身影。特别是某些较长的过道里有数个声控灯，当响度达到一定阈值后即可激发。试想当声控灯数量足够时我们便可通过声控灯的逐个激活来感知音速。（三）实验器材 1.220V实验器材百米电线、百米PVC管道、声光控延时底座若干、LED5w灯泡若干、220V户外电（也可使用家庭电路）、声源（发令枪）、计时器（如图2所示）（图2） 2.12V安全电压实验器材18650三节电池串联电源（12V）、遥控开关1拖12（12V）、声光控控制模块、智能声控模块（12V）、12V3wLED灯、毫秒计时器（5-36V通道计时，断电停止计时。计时分度值0.01s）如图3所示。（图3）三、实验创新要点/改进要点1.感知音速：通过将多个声光控延时灯等距接入百米电路中，通过发出声响将声光控延时灯逐个激活来感知空气中的音速大小。2.测量音速：通过将声光控延时灯激活的全过程进行录像，通过录像观察法慢放视频得知在已知距离上声音传播的时间，通过v=s/t测量出空气中的声速。3.毫秒计时器的引入：通过改进实验电路引入毫米计时器来测量声音在两声控灯中的传播时间来直接测量音速，毫秒计时器配合电路创新可以极大地减少时间测量误差。4.遥控器的引入：为了在12V独立电源控制设备上实现对通断电的控制，为每个声光控模组进行了遥控开关的引入。5.模块化设计：12V实验装置内部的电源、遥控开关、声控开关等均进行了模块化连接，可实现随时更替与新功能模组的嵌入。四、实验原理/实验设计思路感知音速实验原理：将声光控延时灯逐个等距地接入电路，当声波传播时声光控延时灯将被逐个激活。通过延长电路及增加声控灯数量放大实验效果，从而可从感官上感受空气中的音速快慢。原理图如图4所示。（图4）测量音速实验原理：基本原理使用时差法测量速度，通过录像慢放法在v=s/t实验原理基础上测量空气中的音速。实验创新部分：时差法需要测量声音传播的距离与时间。人工测量时间显然误差极大，而录像观察法需要对拍摄硬件要求极高（成本极高）。本实验最终指向测量时间误差的问题，通过引入工业级毫秒计时器，其工作特点是通电时计时，断电时停止计时,通过学生在九年级时设计电路改进该实验。时间测量原理图如图5所示。（图5）A装置距离B装置7m，当使用者在A端发出>50dB声响时即触发计时器A工作，触发时刻为t1。当声波传到B装置时即可触发计时器B工作，触发时刻为t2，此时声波在7m间距上传播时间为t2-t1。当断开该电路电源时两计时器分别在t3时刻停止计时，此时两计时器显示的时间则分别为t3-t1、t3-t2将两时间作差即可得到声波在7m距离上的传播时间t，根据速度等于路程除以时间的原理即可求得声速。根据实验原理v=s/t，在该装置条件下为：v=7m/(t3-t1)-(t3-t2)。12V实验装置创新部分：独立安全电压电源可实现各个声控灯间距可调，引入遥控控制可实现所有声控灯断电时刻t3相同。内部模块化设计便于更换声控模组，如将响度激活开关更换为特定语音指令激活，增加实验过程中的趣味性。五、实验教学目标（一）侧重培养学生物理观念中运动观念的形成，掌握速度公式在本实验中的应用。（二）从科学思维上培养学生科学推理、科学论证的能力，特别是重视从证据出发发现问题的能力。（三）掌握科学探究的一般方法，重视与他人的交流与合作。（四）培养学生的科学态度与责任，培养其对实验中生成问题的持续探究精神。实验教学内容通过声光控灯原理的基本介绍，学习小组进行实验装置的制作与连接。实验活动：感知与测量音速。测量音速基本原理：v=s/t，实践减小误差方法。误差分析与实验改进、利用手机等设备录像后慢回放解决测量时间的难题。通过利用毫秒计时器与电路设计改进实验装置。实验教学过程课前任务环节课前任务一：复习声音传播的条件、速度公式（准备本课的前置背景知识）课前任务二：思考百米赛跑中计时员应当在听到发令枪声时开始计时，还是看到发令枪冒烟时开始计时？课中环节-驱动问题的生成教师通过对百米赛跑问题答案的收集，发现学生对该问题的认识上已经形成了疑惑并形成了认知冲突，激发学生学习兴趣。利用学生的认知冲突提出本项目化学习的驱动性问题：感知与测量音速。课中环节-实验灵感教师引导学生从身边常见的声光控延时灯中获取实验创意：将声光控延时灯逐个等距接入电路中，当声波传播时，声光控延时灯将被逐个激活。师生则可通过声光控延时灯的逐个点亮来感知音速。课中环节-小组实践活动连接简单电路在学生小学科学里已具备的简单电路知识背景下，组织学习分小组完成一些电路连接上的活动，该过程在断电下进行，如图6所示。（图6）预判实验问题，并提出解决方案在本环节中学生可预判如：器材收纳问题、声音随距离衰减问题、实验持续时间过短等预判问题，并组织学生进行预案设置：利用按压式接线头将灯与线分开进行收奶、利用管道传声减小声音的衰减以便激活所有声控灯、延长电路与声控灯数量以增加实验持续时间。（五）课中环节–学生实践活动：感知与测量声速 1.组织学生对实验安全问题进行讲解。 本实验用户外电源代替220V家庭电路进行实验、设置实验安全区域、组织学习小组长进行现场管理。对实验记录单进行介绍，各学习小组进行分工协助，实验记录单如图7所示。（图7）组织学生进行户外实验，如图8所示。首先由教师演示，全体学生通过声控灯的逐个点亮来感知音速的大小，并记录实验现象。分小组进行声音速度的测量，利用实验原理v=s/t进行。（图8）各学习小组分批多次通过v=s/t，进行音速大小的测量，并由教师提供测量时的气温。本过程利用电子停表进行声音传播时间的测量，该过程站在学生已有速度知识的背景下完成，并记录多组数据。（六）课中环节–交流分享与误差分析1.组织学生对所测音速进行问题与经验交流分享。2.误差分析：人工计时的误差极大，采用录像观察法慢放后估测出声音传播的时间，解决方案采用240帧每秒的高速摄像机或毫米计时器完成时间测量。第二是声控灯的空间分辨率不足，无法提高测量精度，可采用更多灯泡，更密集等距接入形式。3.课中生成的问题： 通过学生发言总结出本实验的三个生成问题：220V电压的安全性问题、实验器材的收纳问题、录像观察法无法现场得出音速的问题。 通过师生探讨针对以上问题可采用36V安全电压，独立电源将声控灯无连线完成。（七）课后任务–科学社团时间完成12V实验装置的改造（图9所示）（图9） （八）课堂小结 1.通过转换法，利用多个等距声控灯的逐个点亮完成了感知空气中音速的实验目的。 2.通过减小误差的方法，主要利用了录像观察法完成了本校在14℃空气中音速约为320m/s。 3.遗留一个问题：如何利用毫米计时器改进测量时间的难题。 （九）九年级后续任务 1.利用毫秒计时器结合电路设计知识改进该实验，完成测量声音传播时间的难题。 毫秒计时器工作特点：通电开始计时、断电停止计时。组织学生课中进行电路设计，并形成实验原理图。利用新12V实验设备进行空气中音速的测量。（如图10所示）（图10）实验效果评价本实验所用器材均为生活中的常见物品，同时实验原理清晰明了，即有对速度公式的应用，又可联系到学生升入九年级时利用电路设计改进实验误差，前后知识有联系。另外实验本身实现了视觉冲击，让学生对利用转换法去感知世界有了深刻的感受，物理知识如何应用于生活也有了具体案例。同时实验中所遇问题均是实验创新及拓展点