DIS實驗系統(tǒng)用于“探究功與速度變化的關(guān)系”的教學(xué)設(shè)計

王理想

（新疆師范大學(xué)附屬中學(xué)，新疆 烏魯木齊 830054）

1 設(shè)計思想

人教版高中物理新課標(biāo)（必修2），引入“探究功與物體速度變化的關(guān)系”實驗.通過實驗探究對原來靜止的物體做的功與物體獲得的速度的關(guān)系，目的是為了讓學(xué)生經(jīng)歷和體驗探究的過程，提高理論聯(lián)系實際的水平.本節(jié)課圍繞創(chuàng)新實驗方案設(shè)計、實驗操作與實驗數(shù)據(jù)處理3個環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生展開探究過程.通過課前分小組預(yù)習(xí)、討論得出不同實驗方案、教師給予輔導(dǎo)后課堂展示.教師演示教學(xué)實驗方案、學(xué)生分組動手完成不同實驗方案并進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)處理等一系列學(xué)生為主體開放式教學(xué)活動，真正激發(fā)學(xué)生主動參與的積極性和學(xué)習(xí)的熱情.教師以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、討論分析、實驗操作、歸納解決問題的探究性教學(xué)模式進(jìn)行探索性學(xué)習(xí).培養(yǎng)學(xué)生在活動中學(xué)習(xí)，在主動中發(fā)展，在合作中共鳴，在探究中創(chuàng)新.

2 教學(xué)目標(biāo)

（1）知識與能力.能夠領(lǐng)會探究功與物體速度變化的關(guān)系實驗的設(shè)計思路；明確彈簧發(fā)生形變與之所做的功的關(guān)系，利用倍增法簡化問題的思想方法；知道利用小車做勻速運動階段測量速度比較合理.

（2）過程與方法.能獨立進(jìn)行實驗操作，會采集實驗數(shù)據(jù).能夠?qū)嶒灁?shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理中尋找W與v的關(guān)系.

（3）情感態(tài)度與價值觀.讓學(xué)生經(jīng)歷自主探究創(chuàng)新、合作學(xué)習(xí)的情感體驗過程.

3 重點難點

本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的重點創(chuàng)新是實驗方案的設(shè)計原理，難點是通過對實驗數(shù)據(jù)的分析得出功與物體速度變化的關(guān)系.

4 課前準(zhǔn)備

（1）學(xué)生分組實驗器材準(zhǔn)備（兩大組各準(zhǔn)備14組實驗，DIS實驗系統(tǒng)、鐵架臺、彈簧、米尺）.

（2）教師輔助教學(xué)資料：視頻資料（2008年奧運會射箭比賽，汽車剎車），PPT課件.

（3）實驗裝置圖（圖1：恒力做功，圖2：變力做功）.

圖1

圖2

5 教學(xué)過程

5.1 課題的引入

師：我們都知道物體由于運動而具有的能量叫做動能.例如靜止在手中的粉筆頭動能是多少？拋出去粉筆頭動能發(fā)生變化的原因是什么？

師生共同回答：……

師：做功改變物體的速度在生活中的實例很多，請同學(xué)們看看下面的錄像播放視頻1，2008年奧運會射箭比賽.

（生活中的實例創(chuàng)設(shè)情景，激發(fā)學(xué)生探究的欲望和熱情，增強民族自豪感.）

提出問題：箭的動能從無到有發(fā)生了變化是什么原因引起的？

生：……

繼續(xù)提問：從能量角度分析箭的動能是那種能量轉(zhuǎn)化來的？彈性勢能與哪些因素有關(guān)？

生：……

（這種連串的發(fā)問促使學(xué)生回憶之前所學(xué)的知識，為后面彈簧對小車做功多少提供分析參考.學(xué)生回答后，教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)攸c撥指導(dǎo).）

播放視頻2：汽車剎車視頻.

提出問題：汽車的動能怎樣變化？從有到無發(fā)生了變化是什么原因引起的？（培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真觀察能力，積極思考，為后面小車運動過程中受阻力做功提供分析參考.）

生：……

師：力對物體做功會引起物體動能的變化.功與物體動能的變化量間又存在著什么關(guān)系呢？從這節(jié)課開始我們通過實驗的方法來探究力對原靜止的物體做的功與物體獲得的速度關(guān)系.

5.2 實驗方案的設(shè)計與選擇

師：請大家認(rèn)真考慮一下，利用實驗探究功與物體速度變化的關(guān)系時需要測量哪些物理量？

生：測量力對物體所做的功及物體運動的速度.

師：又應(yīng)該怎么表示每次做功的大小呢？物體運動的速度應(yīng)怎么測量呢？請小組代表上講臺給大家展示實驗方案的設(shè)計思路.（圖3：重力做功，打點計時器測速度.圖4：彈簧彈力做功，平拋的知識求速度.）

圖3

圖4

（對學(xué)生設(shè)計的實驗探究方案給予充分的肯定.鼓勵學(xué)生利用已知來探究未知規(guī)律，培養(yǎng)探究創(chuàng)新能力.）

師：老師也設(shè)計2個實驗探究方案（講臺上展示實驗裝置如圖1、2）分別請大家回答思考各自實驗方案的探究思路、注意事項.（教師據(jù)學(xué)生的回答情況適當(dāng)調(diào)整教學(xué)進(jìn)程，可加以引導(dǎo)）

師：探究的技巧講解.

（1）實驗方案中怎樣解決做功問題？

實驗方案1：是利用小車在傾斜軌道上運動所受的合力做功使小車獲得動能，來探究小車合力做的功與小車速度的關(guān)系.（請同學(xué)對小車受力分析，促進(jìn)學(xué)生理解.）

實驗方案2：是利用彈簧的彈力拉動小車做功使小車獲得動能，來探究變力做的功與小車速度的關(guān)系.

（2）小車獲得的速度v如何測量？

DIS實驗系統(tǒng)：經(jīng)過光電門時的小車的平均速度認(rèn)為是小車獲得的速度.

（3）注意事項.實驗方案1：無需平衡摩擦力；實驗方案2：需平衡摩擦力（彈力做功可認(rèn)為全轉(zhuǎn)化為小車獲得的動能）.

（學(xué)生在探究加速度與力、質(zhì)量關(guān)系的實驗操作中掌握了平衡阻力原因的方法，加以調(diào)撥和鼓勵表揚學(xué)生的回答.）

（4）如何操作獲得多組數(shù)據(jù)？

實驗方案1：小車在傾斜軌道上運動所受的合力為恒力（忽略空氣阻力），所做的功是恒力功.改變小車距光電門的下滑距離，由靜止釋放，使小車的下滑距離為L、2L、3L…，相應(yīng)合力所做的功也就為1 W、2 W、3W…依此類推可以找出功和速度的對應(yīng)關(guān)系.

實驗方案2：彈簧的彈力是變力，所做的功是變力功.學(xué)生已從上節(jié)課探究出彈性勢能的表達(dá)式小車通過細(xì)繩拉彈簧，使彈簧形變，由靜止釋放小車，彈簧的彈力拉動小車做功.彈簧的形變量為x時對應(yīng)彈簧的彈力拉動小車做功為1 W、彈簧的形變量為2x時對應(yīng)彈簧的彈力拉動小車做功為4W，依此類推可以找出功和速度的對應(yīng)關(guān)系.

［請學(xué)生分二人小組組裝好有關(guān)器材，進(jìn)行實驗.一大組完成探究方案1（恒力做功），另一大組完成探究方案2（變力做功）.看看我們采取不同的實驗探究方案經(jīng)過不同小組學(xué)生操作在誤差允許范圍內(nèi)能否得到相同的實驗結(jié)論.實現(xiàn)課堂教學(xué)多樣化.］

5.3 實驗數(shù)據(jù)的分析與處理

得到實驗數(shù)據(jù)后各挑選2個小組的數(shù)據(jù)展示分析.

師：在W-v圖像中得到W、v是一條曲線，說明什么問題（如圖5）？請同學(xué)們認(rèn)真想想，是否可以運用其他方法來分析W、v間的函數(shù)關(guān)系？

圖5

圖6

［在討論過程中，要適時地引導(dǎo)學(xué)生思考是否可以通過描繪W-v2圖線來看看W、v間的函數(shù)關(guān)系（如圖6）.在“添加趨勢線”選項中可以實現(xiàn)線性，2次、3次、……、n次等多種曲線性質(zhì)的選擇，使W-v坐標(biāo)平面上作出的各W、v離散點間擬合出來的曲線的性質(zhì)更加直觀明確.］

實驗結(jié)論：（引導(dǎo)學(xué)生得出結(jié)論）功與物體速度的平方成正比.

5.4 作業(yè)設(shè)計

（1）初速度不為0時，功與物體速度變化的關(guān)系又是怎樣的呢？

（2）你能運用已有的知識通過理論推導(dǎo)的方法，得出功與物體速度變化的關(guān)系式嗎？

6 教學(xué)反思

本節(jié)課符合新課改倡導(dǎo)的“重視對學(xué)生進(jìn)行自主、探究和合作學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)”的理念，師生的雙邊活動得以有效的開展，學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位得到了充分地發(fā)揮，學(xué)生的個性和能力也得以張揚，也使學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維能力得到了訓(xùn)練和培養(yǎng).一方面在數(shù)據(jù)處理上采用DIS實驗系統(tǒng)提高數(shù)據(jù)處理效率、節(jié)省時間.在組織學(xué)生進(jìn)行探究活動的過程中，學(xué)生的自主活動相對能得到充分的保障.另一方面學(xué)生操作的嫻熟程度較弱是導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的時間過長，從而使課堂活動的開放性程度受到了一定的制約.

1 蔡錦曦.“探究功與速度變化的關(guān)系”教學(xué)設(shè)計［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2008（10）.

2 王理想.“探究功與速度變化的關(guān)系”實驗的改進(jìn)［J］.實驗教學(xué)與儀器，2014（1）.

3 王理想.“探究功與速度變化的關(guān)系”教學(xué)設(shè)計［J］.物理教學(xué)探討，2014（1）.