高中物理人教版必修第一册2.1实验：探究小车速度随时间变化的规律 教案

实验：探究小车速度随时间变化的规律教学设计教学目标分析（结合课程标准说明本节课学习完成后所要达到的具体目标）：《物理课程标准》中提出了科学探究的七要素：提出问题；猜想与假设；制订计划与设计实验；进行实验与收集证据；分析与论证；评估；交流与合作。七要素的有序排列指明了科学探究的一般过程和步骤。学生在“科学探究”活动中，通过自主的探究活动，学习物理概念和物理规律，并在探究和获取知识的同时，体会科学家研究科学时的探究过程，培养学生的科学探究能力、科学态度和科学精神。教科书设计这个学生实验为一节，建议用2学时完成。所以，该实验要在本章第一节课进行，不要放到“匀变速直线运动的速度与时间的关系”之后，否则就违背了探究式学习的宗旨。1．知识与技能（１）、根据相关实验器材,设计实验并熟练操作。（２）、会运用已学知识处理纸带，求各点瞬时速度。（３）、会用表格法处理数据，并合理猜想。（4）、巧用v-t图象处理数据，观察规律。2．过程与方法（１）、初步学习根据实验要求设计实验，完成某种规律的探究方法。（２）、对打出的纸带,会用近似的方法得出各点的瞬时速度。（３）、初步学会根据实验数据进行猜测探究、发现规律的探究方法，认识数学化繁为简的工具作用，直观地运用物理图象展现规律，验证规律。（３）、通过实验探究过程,进一步熟练打点计时器的应用,体验瞬时速度的求解方法。3．情感态度与价值观（１）、通过对小车运动的设计,培养学生积极主动思考问题的习惯。（２）、通过对纸带的处理实验数据的图象展现，培养学生实事求是的科学态度，能使学生灵活地运用科学方法来研究问题、解决问题、提高创新意识。在对实验数据的猜测过程中，提高学生合作探究能力。（３）、通过经历实验探索过程，体验运动规律探索的方法。学习者特征分析（结合实际情况，从学生的学习习惯、心理特征、知识结构等方面进行描述）：学习习惯：高一的新生习惯了初中“先讲授，后验证”的验证性实验教学模式，但正是因为教师的“有效引导”严重制约了学生们喜爱探知自然，“异想天开”的天性，久而久之，学生形成了不爱思考，不懂思考，等待老师给结论的习惯，对于在教师讲前充分发挥学生的天性，让他们去猜测、想象、自主、协同协作实践，先探究后总结的实验教学模式还很难适应。，心理特征：升入高中，学生们从各方面都有很大的变化，逻辑思维开始占优势，创造性思维也随之发展，并有强烈的进取心。课前的“导学学案”基本能完成。知识结构：学生已掌握的知识  （1）位移、加速度的概念和打点计时器的使用  （2）纸带的选取和利用纸带计算瞬时速度。学生的猜想是千差百异的，探究能力、认知能力，计算机水平也有不同，这对教师的课堂掌控能力，引导技巧都有更高的要求。教学过程（按照教学步骤和相应的活动序列进行描述，要注意说明各教学活动中所需的具体资源及环境）：1、学生根据“学案导学”自主学习（自习课在教室，通过查阅教材及相关教辅读物或上网，以小组形式讨论完成。）实验步骤问题或注意点按图所示，把附有滑轮的长木板平放在实验桌上，并使滑轮伸出桌面。把打点计时器固定在长木板上没有滑轮的一端，连接好电路。为什么计时器要固定在长木板上没有滑轮地一端？把一条细绳拴在小车上，使细绳跨过定滑轮，下边挂上合适的钩码。把纸带穿过打点计时器，并把纸带的一端固定在小车的后面。为什么计时器限位孔要与长木板中心轴位置对齐，使纸带、小车、拉线和定滑轮在 一条直线上？把小车停在靠近打点计时器处，接通电源等打点稳定后释放小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器就会在纸带上打下一列点。打点完毕，立即断开电源。取下纸带后，将所用钩码质量标注在纸带上，并给纸带编号。换上新纸带，改变钩码质量，重复实验2次。1.为什么实验开始小车要停在靠近打点计时器处？2.为什么要先接通电源，再放开小车？3.钩码的个数是不是随意的？4.打好纸带后，应立即关掉电源。从3条纸带中选择1条点迹清晰比较理想的纸带。为了便于测量，舍掉开头一些过于密集的小点，在后面便于测量的地方，找一个适当的小点当作起始点。为什么舍掉开头密集的小点，影响这个实验结果吗？1、为了测量方便，我们选择每隔5个时间间隔（即每打5次点）的时间T，这一时间间隔为T=0.02*5=0.1S。如图，在选好的起始点下面标上0，在第6点下面（或上面）标上1，在第11点下面标上2，在第16点下面标上3……以此类推，点0、1、2、3、4……叫计数点，两个相邻计数点间的位移分别是△X1、△X2、△X3……2、计时点和计数点有什么区别？按照这里计数点的取法，每两个计数点之间的时间间隔为多少？测量两个相邻计数点之间的位移最好不要移动尺子，用长刻度尺对齐各计数点，读出各计数点到起始点0的位移，然后算出相邻计数点间的位移。为什么这么做？3、根据纸带的长度和测量点的多少选择若干个计数点，一般取7个计数点为宜，并测出6段位移：△X1、△X2、△X3、△X4、△X5、△X6；把测量结果填入表中。1.为什么7个计数点间只有6段位移？2.这个实验需要测量什么物理量？4、利用实验原理中提示的方法，计算出各计数点的瞬时速度，把计算结果记录在表格中。5、位置编号0123456时间t/s00.10.20.30.40.50.6两点的距离x/mV1(m.s-1)V2(m.s-1)V3(m.s-1)V1和V2是同一条纸带，取不同计时起点的结果；V1和V3是不同纸带的结果。由于△t很小，我们认为△X/△t就是瞬时速度。在实验中，并不是△t越小越好，想一想，为什么？由上述数据表格猜想出小车运动速度随时间的变化规律。根据表格的数据，分析速度随时间怎么变化。6、v-t图象：根据得到的图象应该是 各测量点的速度，在坐标纸中做出表示小车速度与时间的关系图象。（要求：打下0测量点的时刻为0时刻，标明坐标及其单位、单位大小要取得合适，使作图和读数方便，并尽量充分利用坐标纸）1、（讨论）比较各自的描点结果。若用一条光滑的曲线来拟合这些点，将会是一条什么线？想一想，这是为什么？2、思考：该图象过坐标原点吗？为什么？3、探究活动：怎样根据所画的速度—时间图象求加速度？2、课堂教学过程：（物理实验室进行探究活动，每个实验桌上配备：学生电源、导线、打点计时器、小车、钩码、一端带有滑轮的长木板、带小钩的细线、纸带、刻度尺、坐标纸、电脑、教师用计算机、投影仪等。）教学过程教师活动学生活动设计意图新课导入：1、放多媒体画面后，提出问题：这些物体的快慢不同，他们的运动遵循着什么规律呢?如何探寻物体的速度随时间的变化规律呢？2、给出实验器材且指出要探究物体速度随时间变化规律必须知道物体在一系列不同时刻的速度，直接测量瞬时速度很困难，我们可以借助打点计时器记录物体在不同时刻的位置，在通过对纸带的分析、计算得到各个时刻的物体瞬时速度。回答问题：1、有的物体运动的速度在发生变化，同时举了一些生活中运动物体发生速度变化的例子2、可以用打点计时器，同时处理纸带一切推理都必须从观察与实验得来。实验探究过程1.实验操作过程进行实验前，让学生先回顾上一章是怎样使用打点计时器的。把学生分为八个讨论大组，每两人为一个实验小组。组织学生讨论并要求学生设计出本组的实验过程，并口头阐述相关实验器材及步骤，尤其是打点计时器的使用方法及注意事项。教师及时给出评价。引导学生熟练地摆好器材，巡视全场，对出现的问题予以及时纠正。实验事项通过课件展示予以归纳。学生讨论实验过程的设计方案先请一组几个同学到讲桌前给出本组的实验设想并进行实验操作打出几条纸带。其他几组的同学和已学过的“练习使用打点计时器”相对比，指出第一组同学操作不当之处。有助于加深记忆，并提出问题。学生进行合理、准确地操作，得到一条点迹清晰的纸带。孔子曰：“开而弗达，道而弗牵，强而弗抑”，以老师的无为造就学生的有为。2.课堂交流：教师提问：如何选择适合本实验的纸带呢？学生：选择一条点迹清晰，没有漏点且点数足够多的纸带。学生：开始的几个点不清楚怎么办呢？ 选择纸带，确定计数点，处理纸带，计算瞬时速度（与学生讨论“自主学习”部分的问题）教师：我们可以选择一清晰的点作为计时起点，还可以选择计数点，建议大家在测量前每五个点选一个计数点。教师：各组开始选择纸带及确定计数点。教师巡回指导，指出学生错误之处。教师：大家在测量时，我建议大家测量每个点与计时起点的距离。教师给予评价教师引导学生设计数据表格并且把数据填到表格中。教师：大家想一想如何根据测得数据求瞬时速度呢？教师利用多媒体演示求瞬时速度的方法推导过程。教师；每个组根据各自的纸带测量△x，计算出瞬时速度，并且把数据填入表格。引导学生注意：在计算该点的瞬时速度时，注意此时用了近似的处理方法。而这种抓住主要问题，忽略次要因素的科学处理方法，在科学探究中是一种很重要的办法，由上述数据表格猜想出小车运动速度随时间的变化规律：速度与时间成正比。教师活动：鼓励学生大胆猜想，并一一列举学生的各种想法，了解学生猜想的原因，进行总结与点评，纠正盲目的瞎想。学生：把这几个点舍去，行不行呢？。学生：计时起点是人为选取的，开始不清楚点可以舍去。学生：我们每两个点测一次不是一样吗？学生进行讨论。学生：他这样做每次测量都要挪动刻度尺，这样做很麻烦，并且误差很大。各组进行讨论学生：位置编号01234时间t/s00.10.20.30.4两点的距离x/mV1(m.s-1)V2(m.s-1)V3(m.s-1)V1和V2是同一条纸带，取不同计时起点的结果；V1和V3是不同纸带的结果。大胆猜想，回答猜想原因，阐述猜想思路。测量瞬时速度的方法，培养学生动手能力和科学严谨态度。合理的或大胆的猜想往往闪烁着智慧的火花激发创造的灵感，发挥想象能力，实现探究的目的。3．数据处理：作出速度-时间图象教师：如何根据得到的数据表示出小车的速度时间关系呢？组织学生讨论教师：如何作出图象呢？教师：做速度时间图象时应注意坐标轴的标度的选取，描点要准确。教师；同学们开始作图。教师巡回指导。教师：有的同学的图象是一段一段的折线，对不对？教师：我们研究的是一种规律，是大多数点符合的就可以的。是什么样的规律呢？教师:为什么会有一些点不在图象上呢？学生：根据第一章《利用打点计时器测物体速度》这一节。我们可以作出速度时间关系图象，根据图象可知两者的关系。学生：建立v-t直角坐标系，通过描点作出图象。学生：如果不是折线，所有的点就不能都在图象上？学生：不能用折线连，速度的实际变化应该是比较平滑的，所以，要用一条平滑的曲线来“拟合”这些点，这样曲线反映的规律应该与实际情况更接近．  学生：一条倾斜的直线。学生：我们这儿出现了有一个点明显偏离绝大部分点所在的直线．那该怎么办呢?学生：那这个点我们就可以擦去不用了．学生：继续完成图象，修改图象。 计算机绘制速度—时间图象的图象教师：如果一旦出现明显偏离较大的点，我们可以认为是测量误差过大、测量中出现偏差所造成的。可以将这个点视为无效点。教师：不是的，这个点我们要仍然保留在坐标纸上，因为我们要尊重实验事实，这毕竟是我们的第一手资料，是原始数据。教师：演示多媒体，给出正确的作图方法。V-t坐标系内，有一些点，根据这些点作出一条倾斜直线，使不在图线上的点均匀地分布在图线的两侧。这样是要每一个有意义的点都要发挥作用，取点群的平均位置是为了减少测量的偶然误差。教师在与学生交流的过程中体现科学探究要尊重实验事实的严谨科学态度。 教师活动：当学生描绘出v-t图象后，要组织学生认真分析该图象，能够用语言描述出小车的运动速度随时间变化规律，并要学生能够认识到：利用平面二维的坐标系只能描述某一个方向上的直线运动。（小车在运动中向哪个方向？在图象中怎样表示的？）根据学生不同回答来进行总结、引导。培养其规律总结能力，语言表达能力。教师：求出此小车的加速度在我们做出的图象上选尽可能远的两点，找出两点的速度及对应时间。教师用Excel软件演示作v－t图。学生之间认为好的，可以通过投影展示给大家V1和V2是同一条纸带，取不同计时起点的图象；V1和V3是不同纸带的图象。学生活动：小车运动的v-t图象是一条倾斜的直线，时间增加相同值Δt，速度也会增加相同值Δv。即速度随时间均匀增加（或变化）。小车运动的v-t图象是一条倾斜的直线，v随t变化的函数关系式为v=kt+b，显然v与t成“线形关系”，即速度随时间均匀增加（或变化）。学生用探究的方法，体验数据的获得过程、作图的过程，这应当是学生通过实验探究物理规律的最有效途径。教育的艺术不在传授,而在鼓舞和唤醒。使学生加深印象，培养良好的思维习惯，提高创新意识、开阔思维。 打开Excel工作簿可以看到行和列，行号用1、2、3……表示；列号用A、B、C……表示.将自变量时间的数值从某一单元格开始输入，在同一列中将其他时间值一一输入.在相邻的右侧一列中将速度值一一输入，注意速度值要与时间值相对应.也可以在同一行中依次输入时间和速度，下一行中再次输入第二组时间和速度，直至全部输入完毕.用鼠标选中这些数据.再用鼠标左键单击“图表向导”按钮，出现“图表类型”窗口，选“散点图”，选“确定”按钮，弹出“图表标题输入框”，输入相应的字符后选“下一步”按钮，直到“完成”.出现由点组成的图表，用鼠标右键单击绘图区中任何一个数据点，出现下拉式菜单，选“添加趋势线”，弹出“添加趋势线”窗口，选择“线性”趋势；打开该窗口的“选项”，对其中“显示公式”左侧的小方格用鼠标左键单击出现“√”号后，按“确定”.则图表框中出现一条直线，这就是经过计算机作最佳“拟合”后的v－t图象，并显示出一个表明该图象的函数式.学生讨论：如何根据图象求加速度？学生认真观察、体会并和手工作图加以对比，争取课下独立完成。例如：01234s00.0140.0190.0240.029t00.10.20.30.4v0.1650.2150.2650.315观察计算机作图，了解计算机作图优越性。提高学生的兴趣，增强学生学习的主动性.活动探究：粘贴纸带看能否反映物体的运动规律教师：选择一条打点清晰的纸带，标上计数点，然后将纸带每隔相同时间间隔0.1s从计数点处剪下，连续剪下4～5段，再把这些纸条并排贴在一张纸上，使这些纸条下端对齐，作为时间坐标轴，标出时间，最后将纸条上端中心连起来，纸带的排列成“阶梯”状.那么，请你讨论这样处理能不能反映物体的运动规律？能否作出速度图象并求出加速度a？学生：亲自动手实践。因为每段纸带长度都对应物体在相等时间内的位移，，所以纸带长度正比于运动速度，纸带长度就等效了小车的速度（平均速度）值，从纸带长度均匀增大也可以判定物体的运动速度均匀增大.体验探究后成果，体会“等效”方法找规律，提高学生学习物理的兴趣。 由于每段时间较短，所以这段时间中点的速度就是这段时间内的平均速度。取每段纸带上边的中点，然后过这些点画出v-t图象，如图所示.此图线的斜率就等于加速度a的大小。课堂小结：教师引导：通过今天的探究活动，请同学们交流今天的收获，为你们今后的探究有哪些启发？教师要对学生探究过程中出现的问题做好总结分析，要求学生尊重科学、实事求是、一丝不苟的面对科学问题，无论成功还是失败，鼓励学生勇于提出问题，勇于科学探究，勇于面对自己的错误，帮助同学们处理他们真实存在的困惑，并提炼探究的成果，同时进行知识的讲授。各小组进行交流，总结学到的知识、方法，及对成功与失败的感受……体会科学家研究科学时的探究过程，培养学生的科学探究能力、科学态度和科学精神。