2020年高中物理教学设计(新人教必修二)7.6《实验：探究功与物体速度变化的关系》2.docx

6 试验:探究功与速度变化的关系
整体设计
各种力做功都与其对应的某种能量有关系,争辩出它们的关系,就能确立相应能量的表达式.例如通过重力做功确立了重力势能的表达式,通过弹力做功确立弹性势能的表达式.动能是物体由于运动而具有的能,物体的动能与它的速度亲密相关,而物体速度的变化与它受的力有关,当物体运动而发生位移时,它所受的力又会做功,因此力对物体做的功与物体速度变化有亲密的关系.本节课就是探究功与速度变化的关系,为下一节动能的学习作预备.
本节是一节探究试验课.在进行试验探究、收集数据时,需要考虑什么是有价值的数据,用什么方法来获得数据,以及如何证明这些数据是牢靠的.在进行试验时,操作应规范;在收集数据时,应实事求是,坚持严谨认真的科学态度.对试验所得到的结论要会推断是否科学,推断的标准就是看其是否具有重复性,即不论由哪位同学来做这个试验,也不论做几次,在允许的误差范围内结果都应当是相同的.
过去我们强调的试验,主要所指为操作技能,现在强调的试验,除了操作技能外,期望同学更加重视试验中的科学思想与技能的学习.比如在探究功与速度变化的关系时,并不需要计算功的具体数值,缘由是什么?在探究之前,要重点把握本试验中的探究方法.另外用图象处理数据比较形象、直观,而且误差也小,所以这种方法必需能够娴熟应用.
教学重点
学习探究功与速度变化关系的物理方法,并会利用图象法处理数据.
教学难点
1.试验数据的处理方法——图象法.
2.试验过程中的规范操作.
课时支配
1课时
三维目标
学问与技能
1.会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度.
2.学习利用物理图象探究功与物体速度变化的关系.
过程与方法
1.通过纸带与打点计时器来探究功与速度的关系，体验探究过程和物理学的争辩方法.
2.实际探究过程中如何把变力做功这个问题解决.
情感态度与价值观
1.体验探究的困难，享受成功的乐趣.
2.通过试验探究，体会学习的欢快，激发学习的爱好；通过亲身实践，树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观.
课前预备
小车(前面带小钩),长木板(两侧适当的对称位置钉两个钉子),橡皮筋(5—6条),打点计时器及电源、纸带等.
教学过程
导入新课
情景导入
情境1 如图所示,奥运会上,某射箭运动员拉弓射箭,箭在弹力作用下,获得很大速度射出去.

情境2 如下图所示,行驶中的汽车,因前方有路障而紧急刹车,汽车在阻力作用下渐渐停下来.

以上两种情境有何共同特点?
复习导入
复习旧知：1.重力做功与重力势能:重力做功与路径无关.重力势能是物体和地球这个系统所共有的,具有相对性.重力做功等于重力势能增量的相反数,即WG=-ΔEp=mgh1-mgh2.
2.弹力做功与弹性势能
发生弹性形变的物体各部分之间存在弹性势能,和重力势能一样,弹性势能也具有相对性.利用类比和无限分割再累积的方法可以推得弹性势能的表达式.弹性势能的转变与弹力做功有关：W弹=-ΔEp=
力对物体做功与动能确定有关系,而动能与速度直接对应,本节课我们来探究功与速度变化的关系.
问题导入
“在很早的时候人们就生疏到,要想使物体运动是要付出代价的”,在现实生活中我们也经常遇到这样的例子:要想使汽车运动起来是要消耗汽油的;要想使火箭获得一个很大的速度,从而飞向太空,这同样要消耗大量的燃料;要想使铅球、铁饼等物体获得初速度从而把它们投掷出去,这也需要运动员耗费大量的体力.
以上各种现象中,要使物体获得的速度越大,需要付出的代价也越高.这说明白什么物理问题.

推动新课
一、探究的思路
问题探究
1.阅读课文,说出该探究试验的目的、试验所需要的器材及试验的设计思路.
2.课本中利用不同数目的橡皮筋拉动小车做功,对此,你有何生疏?怎样选择橡皮筋才尽可能减小误差?
3.试验时为何要平衡摩擦力?如何平衡?
4.试验中如何来测定小车的速度?如何从纸带上分析出小车在通过B点时的速度?
点评：探究学习方式特殊强调问题在学习过程中的重要性.强调通过问题来进行学习,把问题看作是学习的动力、起点和贯穿于学习过程的主线.上述一连串的问题由易到难,由简到繁,由小到大,层层推动,通过问题的设置,引导同学学会思考分析,学会发觉问题、解决问题.
同学活动:带着问题阅读课文,思考、沟通、解决问题,同学代表发言.
师生互动:同学代表在回答问题过程中,老师赐予评价、引导,使问题的答案精确     、规范.
试验探究
试验目的：
(1)通过试验探究力对物体做的功与物体速度变化的关系.
(2)体会探究的过程和所用的方法.
试验器材:
木板、小车、橡皮筋、打点计时器及电源、纸带等.
设计思路:如图所示

(1)设法让橡皮筋对小车做的功分别为W、2W、3W……
(2)由纸带和打点计时器分别测出小车获得的速度v1、v2、v3……
(3)以橡皮筋对小车做的功为纵坐标(以第一次试验时的功W为单位),小车获得的速度为横坐标,作出W-v曲线.
(4)假如W-v曲线是一条直线,表明W∝v;假如不是直线,可着手考虑是否存在下列关系:W∝v2、W∝v3、W∝……
(5)依据Wv草图,大致推断两个量可能是什么关系.假如认为很可能是W∝v2,就做出Wv2曲线,假如这条曲线是一条直线,就可以证明你的推断是正确的.
留意事项：
1.橡皮筋拉小车时的作用力是变力,我们不能求变力做功问题,但选用相同的橡皮筋,且伸长量都一样时,橡皮条数目的关系就是做功多少的关系,因此,可以不需求出变力功的大小,就知道功的关系.
2.市售的橡皮筋粗细不一,全都性差,弹力偏大.不同的橡皮筋之间的弹力差异也较大,不能满足本试验的要求.而且用至少4根以上时弹力过大,使打出的纸带点数过少,以致找不出小车不受力匀速运动时所打出的点.
可选择服装中使用的多股橡皮筋的松紧带,要认真地剪成单股.
3.试验中的小车不行避开地要受摩擦力的作用,我们争辩拉力对小车做功和速度的关系,应排解其他力的影响.可将木板的一端稍垫高,轻推小车,观看小车是否做匀速运动,使重力的分力与摩擦力相平衡,消退摩擦力的影响.
4.(1)用打点计时器来测速度;
(2)用频闪照相来测速度;
(3)用传感器借助计算机来测速度.
由于试验器材和每次操作过程的分散性,尤其是橡皮筋不行能做到各条之间的长度、粗细完全全都,使得每次转变橡皮筋的条数以后,纸带上反映小车匀速运动阶段的点数,和这些点的位置不肯定消灭在事先设定的B点,可能在B点前后.这是由于小车在几条橡皮筋拉动下运动至B点时,还可能受到其中某条橡皮筋的拉力.因此对纸带上的点要进行分析,方法是比较B点之前及B点之后若干个相邻两点间的距离是否基本相同.选择相邻距离基本相同的若干个点作为小车的匀速运动阶段,用这些点计算小车的速度.
二、操作的技巧
老师活动：利用多媒体呈现问题,让同学思考、回答.
问题：1.设想若不平衡摩擦,纸带上的点会是什么样的?平衡摩擦之后,做该试验纸带上的点又是什么样的?
2.纸带上的点距并不都是均匀的,应当选用哪些点距来确定小车的速度?为什么?
3.在转变橡皮筋的条数后,为什么要把小车拉到相同的位置释放?不这样做会消灭什么现象?
同学活动:分组争辩.
师生互动:同学发言,老师点评、总结.
明确:1.若不平衡摩擦,小车在开头时受橡皮筋的拈力和摩擦力.拉力渐渐变小,摩擦力不变.在两个力相等前做加速度越来越小的加速运动,两力相等时速度达到最大.之后两力的合力方向与速度方向相反,合力开头做负功,做加速度越来越大的减速运动,当橡皮筋恢复原长后仅受摩擦力,做匀减速直线运动.故纸带上的点是两头密、中间疏,几乎找不到间距相等的点.
平衡摩擦后,小车开头做加速度越来越小的加速运动,橡皮筋恢复原长后做匀速直线运动,故点迹是开头密,越来越疏,之后间距相等.
2.由上述分析可知,平衡摩擦后,纸带上的点并不都是均匀的.在小车做加速运动的过程中,橡皮筋还在连续对小车做功,恢复原长,做功完毕.小车做匀速运动,因此我们要选择点距相等的点来确定小车的速度.具体做法:测出点距相等的n个点间的位移x,v=.
3.由上一节探究已经知道,弹簧或橡皮筋弹性势能为kx2.每次必需拉至相同位置,目的是保证每次试验每条橡皮筋的弹性势能相同,这样橡皮筋的条数与弹性势能成正比,使得做的功与橡皮筋的条数成正比.随着橡皮筋条数的增多,做功分别为W、2W、3W……
若不严格拉至同一位置,就不满足上述状况,造成较大误差.
三、数据的处理
老师活动：提出问题,让同学思考,回答.
问题：1.对于试验所得到的数据,我们如何处理?
2.描绘图象时我们应留意哪些问题?
同学分析、思考、回答:
师生互动:同学回答,老师点评,引导.
明确:1.将得到的一组(W,v)值描点于W-v坐标平面内,从点的分布状况来大致推断应当是什么样的曲线,然后分别摸索画出W与v、W与v2、W与v3、W与之间的图象.由于直线关系最简洁推断两个物理量的关系,所以通过摸索,找出哪一组是正比关系,最终确定功与速度的最终关系,也可借助计算机来进行分析、整理.
2.数据处理同样体现了探究问题的思路,在Wv坐标系中描绘出W、v的各对应点后,既要观看各点的位置关系,又要思考这些点之间应有的函数关系.由于试验误差,这些点的位置有可能表现为直线分布,也可能表现为曲线分布.一般呈直线分布的缘由是由于橡皮筋的拉力较大,小车的速度比较大,加之试验次数少,所取的点数也少,使W、v各对应点近似成线性分布.可以从两方面解决:在小车上加砝码,增大小车质量,使小车速度不致过快;另外在画图时加大纵坐标的单位长度.从原点O开头描绘图线也可以避开画成直线.
画图线时应画成平滑的曲线,不能连成折线;在画直线时应尽可能使点落在直线上,不能落在直线上的点应均匀分布在直线的两侧,如图甲、乙所示.

老师活动:要求同学依据试验的设计思路,归纳进行试验的步骤.
分小组进行试验,老师观看同学试验,准时赐予挂念或引导.
同学活动:归纳试验步骤,按步骤进行试验.
问题探究
问题:争辩汽车的制动距离与车速的关系
导思：汽车的制动性能，是衡量汽车性能的重要指标.在一次汽车制动性能的测试中，司机踩下刹车闸，使汽车在阻力作用下渐渐停止运动.下表中记录的是汽车由不同速率行驶时，制动后所经过的距离.
汽车速率v/(km·h-1)
制动距离s/m
10
1
20
4
40
16
60
？
可以依据表中的数据，分析以下问题：
1.为什么汽车的速率越大，制动的距离也越大？
2.让汽车载上3名乘客，再做同样的测试，结果发觉制动距离加长了.试分析缘由.
3.设汽车在以60 km/h的匀速率行驶的时候制动，在表中填上（没有乘客时的）制动距离的近似值.试说明你分析的依据和过程.
你可以运用动能定理列方程组解答，也可以通过分析表中的数据，找出车速v跟制动距离s的（比例）关系，从而求出当汽车速率为60 km/h时的制动距离.
探究：以汽车为争辩对象.在制动过程中，刹车产生的阻力对汽车做负功，汽车制动后的末速度是零.假设汽车制动时的阻力不变，由动能定理可知，汽车制动前的初速度（初动能）越大，制动时阻力做的功也越多，因而制动过程中经过的距离也越长.
汽车载客越多，汽车的动能越大.因此，在制动过程中克服阻力做功越多，冲出的距离就越长.
当大路上行驶的车辆意外发生碰撞时，它们的损坏程度和事故的严峻性跟碰撞前车辆的动能大小有关，而车辆的动能则取决于车辆的质量和速度的平方.因此在大路上，尤其是在高速大路上，都有限制车速的标志.货车、客车的质量较大，对它们速度大小的限制值要比轿车小一些.如高速大路对中、重型车辆和客车的车速限制一般是100 km/h，对轿车一般是120 km/h.
有的汽车（如城市中的双层客车）在设计时厂家就把车速限制在70 km/h；当汽车速度高于70 km/h时，即使驾驶员踩油门，燃油系统也不会把燃油送到发动机中，直到汽车速度低于70 km/h，才会恢复供油.
例 关于探究功与物体速度变化的关系试验中,下列叙述正确的是（ ）
A.每次试验必需设法算出橡皮筋对小车做功的具体数值
B.每次试验中,橡皮筋拉伸的长度没有必要保持全都
C.放小车的长木板应当尽量使其水平
D.先接通电源,再让小车在橡皮筋的作用下弹出
解析：本试验没有必要测出橡皮筋做的功到底是多少焦耳,只要测出以后各次试验时橡皮筋做的功是第一次试验时的多少倍就已经足够了,A错.每次试验橡皮筋拉伸的长度必需保持全都,只有这样才能保证以后各次试验时,橡皮筋做的功是第一次试验时的整数倍,B错.小车运动中会受到阻力,只有使木板倾斜到肯定程度,才能减小误差,C错.试验时,应当先接通电源,让打点计时器开头工作,然后再让小车在橡皮筋的作用下弹出,D正确.
答案：D
点评：做试验前,要先了解探究的内容、思路、方法,才能对试验中存在的问题进行正确处理.
例2 某同学在探究功与物体速度变化的关系时得到了W与v的一组数据,请你对这些数据进行处理,并确定W与v之间的关系.
W
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
v/(m·s-1)
0.00
0.80
1.10
1.28
1.53
1.76
1.89
v2
0.00
0.64
1.21
1.64
2.34
3.10
3.57
解析：以W为纵坐标,v为横坐标,作出W-v曲线.以W为纵坐标,v2为横坐标,作出W-v2曲线.

由图象可看出:W∝v2.
点评：用图象法分析两物理量之间的关系,很直观,也很清楚.

2.设自行车无动力后受到的阻力为f，则这一过程阻力所做的功Wf=fs，自行车的初速度v0=2=2s/t.
3.重复试验步骤1可以得到多组t和s的值.
4.通过作Wv图象或者计算的方法可以得到Wv的关系.
设计点评
物理学是以观看和试验为基础的学科,本节就是一节探究试验课.为了能使同学在自己动手试验前能够明白试验的目的、设计思路及试验时应留意的事项,本教学设计接受了问题探究式教学.由老师提出一串问题,同学分组争辩、思考、解答,使同学在沟通和争辩中,借助集体的才智提高了自身的素养.问题由浅及深,层层推动,虽有肯定的难度,但同学稍加思考就能解决,在解决问题的过程中同学就会产生自信念,乐于学习.