探究功与物体速度变化关系教学设计
【教学目标】
一、知识与技能
1、巩固用打点计时器和纸带测量物体运动速度的方法。
2、为增强实验的可靠性对实验器材和方法实施控制的技能。
3、用图像法处理数据的技能。
4、使用excel软件处理数据的技能。
二、过程与方法
1、通过参与整个探究过程,体验科学研究的方法和艰辛历程。
2、通过解决变力做功问题,体会科学方法的精妙。
3、通过excel软件的使用,再一次体会计算机技术在辅助实验方面的巨大作用。
三、情感态度与价值观
通过探究过程激发学生求知欲和学习兴趣,享受成功的乐趣,体会物理学研究的科学性。
【教学重点】
1、再次体会功和能量变化关系。
2、实验方案的制定和实施。
3、数据的图像处理。
【教学难点】
1、橡皮筋的弹力做功的处理。
2、数据的处理。
【教学方法】
师生、生生讨论互动的方法。
【教具准备】
长木板(侧面分别钉上两个钉子 )、小车、打点计时器(包括纸带、复写纸、电源和导线)、橡皮筋若干条、直尺、计算机(装有excel软件)
【课时安排】
2课时(第一节设计实验方案,第二节做实验与处理数据,得出结论)
【教学过程】
一、复习并引入新课
师提问:到现在为止,我们已经定量研究了哪几种能量?它们都是怎样得出表达式的?它们与对应力的功有什么关系?
师:对于势能的讨论我们先告一段落,从本节课开始我们要讨论动能,要得出动能的表达式和它满足的规律。
师提问:第一节中是怎样给动能下的定义?
师:动能是与物体的运动有关的能量,而且按照我们已经使用过的研究思路,要得出动能的表达式,必然也是通过探究某个力的功得出,因此本节课就通过实验探究功与物体速度变化的关系,今天我们一起讨论建立实验方案,下节课分组实验。
板书:第6节:探究功与物体速度变化关系
二、新课教学
师提问:我们得出重力势能表达式是通过探究重力做功得出的,得出弹性势能表达式是通过探究弹力做功得出的,那么标题中要探究的功是什么力的功?为什么?
教师引导他们说出理由,并由其他同学点评,最后形成统一认识:是合力功,因为合力决定了加速度,加速度是跟速度变化有关的。
师提问:求速度变化,要先测出速度,我们最熟悉的实验室中测速度的方法是什么?
打点计时器
师提问:那么请设计出一个实验方案,能够探究合力的功与物体速度变化的关系,先说需要什么器材,在说明怎样安装器材。
经过讨论、归纳、整理得出如图所示实验方案。
师:下面我们分别解决以下几个问题
教师板书:
怎样求合力功
怎样求速度改变量
师提问:怎样求小车受的合力?
(1)引导出要甩掉摩擦力这个麻烦,只让绳拉力为合外力,该怎么办?逐步引导出平衡摩擦力,怎样平衡,怎样判断出角度是否合适。
(2)拉力的大小怎么办?是否就等于钩码重力,经过讨论或者推导证明得出拉力小于钩码重力,虽然可以计算出拉力大小,但为了减轻实验负担,就近似认为钩码重力等于绳子拉力,条件是钩码质量远小于小车质量。
师提问:怎样得出位移?
引导出在纸带上确定始、末两点,用尺子测量出位移大小。
师提问:怎样确定始、末速度?
引导得出用中间时刻瞬时速度等于全程的平均速度得出。
师:刚才设计出的方案涉及到的问题我们在必修1中已经解决,现在想用如图所示的方案探究合力功与小车速度变化关系,以上问题如何解决?
(1)引导出为使橡皮筋拉力成为合力,平衡摩擦力的方法与前面一样。
(2)拉力大小如何确定?有些学生指出皮筋的劲度可以测出,再由形变量得出拉力,再求合力,引导提问:目的是求拉力还是求拉力的功?发现拉力为变力,求功不好求。引导上节课弹簧弹力也是变力,但我们成功地求出了功,求皮筋这个变力的功能使用弹簧变力功的方法吗?学生回答能用除以2求平均力或者分割、求和、逼近的微积分方法。教师引导提问:弹簧变力的功之所以能用上述方法是因为劲度k恒定,拉力f与形变量l成正比,或说拉力f随形变量l的变化均匀增大,橡皮筋有这个特点吗?即劲度k恒定不恒定?学生回答不出可引导:化学实验中的胶皮管或者医用胶皮管(静脉取血)拉长后有什么变化?学生能回答出变细了,逐步引导出劲度系数变化了。
(3)拉力是变力,而且劲度系数也变,怎样变也不知,弹簧变力功的方法用不了了(画不出f-l图像),那怎么求皮筋做的功?
由于教师一直在问怎样求皮筋这个变力的功,学生的思维一定沿着要求出功的方向,因此至此陷入困境。
师:我们在探究加速度与力、质量关系时用过一种方法,不需要求出加速度具体值,也不需要求出力的具体值,只要知道两次实验中力的比值和加速度的比值,就可以得出加速度与力的关系。现在我们要讨论功与速度变化的关系,能用类似的办法吗?若学生仍没有受到启发?接着引导:非要算出功的具体值吗?再用实物引导,展示并说明:"有许多条相同的橡皮筋"若学生还是不能提出正确方案,可以直接告知:"如果我们做两次实验,知道这两次实验中功的倍数关系,还知道两次实验中速度的倍数关系,不也可以看出功与速度变化的关系吗?"进一步引导学生得出:"第一次用一条橡皮筋,第二次用两条橡皮筋……"
师:这种巧妙的方法在物理学史上是有先例的……(用几句话简单介绍库仑如何解决电量大小的问题的。)
师:功的问题已经解决,那么初位置与初速度,末位置与末速度的问题呢?
师提问:还能不能从纸带上任意找两个点作为初、末位置呢?若学生做不出判断可进一步问:关键是找到的这两点的速度怎样得出,还能用中间时刻瞬时速度等于全程的平均速度的方法得出吗?学生很自然地发现是变加速,此法不通。再进一步问那应该怎样选始末点,学生容易确定初始点选在头一个点好,因为这样初速为零,但对终了点不能确定,教师引导提问:小车加速过程中皮筋伸长量逐渐恢复,到原长后小车如何运动?学生容易答出匀速,纸带上点间隔均匀,从而可用点间距除以时间间隔得到匀速速度,从而解决末速度问题(末位置无所谓,反正也用不上位移,关键是末速度)
师:解决了以上的实验原理问题,在做实验以前,大家再讨论:为提高实验的准确性,实验中要注意什么?
学生发表许多意见,老师注意引导大家自评、互评得出大家都同意的几点,如对橡皮筋的要求:各条橡皮筋保证完全一样,且劲度系数适当,实验时还不能超过弹性限度。对小车每次释放的位置要一样等。
师:若实验总共做6次,得到(w、v1)(2w、v2)(3w、v3)……怎样处理这些数据,从而得到结论呢?
引导得出用图像法好,可进一步问画什么图?学生很容易回答出w-v图,追问若是直线是什么意思?w与v成正比。曲线是什么意思?学生几乎都回答抛物线,得出w与v2正比(因为学生接触过的曲线基本上只有抛物线,所以容易以偏盖全)可直接告知曲线不一定都是抛物线,即w不一定与v2成正比,即由曲线是得不出结论的,引导出要多画出几种如w-v2关系图,w-v3关系图,w-关系图等,用尝试法寻找结论。
师:图像自己用坐标纸画吗?学生容易得出用excel软件,因为在必修1时用过,教师可用以前的数据组织学生复习用excel作图的方法。
三、课堂小结
师:以上实验的预习过程可以形成提纲式笔记
板书:
1、要探究的是合力的功与速度变化的关系
2、为使橡皮筋的力成为合力,要平衡掉摩擦力,怎样平衡。
3、怎样解决橡皮筋这个变力做功问题(k也变化),实验中对橡皮筋有什么要求。
4、怎样确定初位置与初速度和末速度
5、怎样处理数据
师:究竟合力功与速度变化有什么关系,我们做完实验后就会得出结论。
四、作业
思考:物体的速度变化量是仅跟合力功有关吗?猜一猜可能还和什么有关?怎样通过实验验证你的猜测?
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