必修22.功教学设计及反思

这是一份必修22.功教学设计及反思，共9页。

三维目标
知识与技能
1．会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度．
2．学习利用物理图象研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研究方法．
2．在实际探究过程中如何解决变力做功问题，如何将复杂的问题简单化．
情感、态度与价值观
通过实验探究，体验探究的困难，享受成功的乐趣，体会学习的快乐，激发学习的兴趣；通过亲身实践，树立“实践是检验真理的唯一标准”的科学观．
教学重点
学习探究功与物体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
设计正确的探究方案；实验数据的处理方法；复杂问题的转化方法．
教具准备
长木板、橡皮筋(每组5根)、小车、电火花式打点计时器(带纸带、复写纸等)、电源插座、刻度尺、钉子(已安装)、坐标纸、多媒体辅助课件等．
教学过程
知识准备
1．前面我们学过哪几种势能？(物体的重力势能和弹簧的弹性势能)
2．它们的变化与什么有关？
重力势能是由于物体被举高而具有的能量，它的变化与重力做功有关．
弹性势能是存在于发生弹性形变的物体各部分之间，由于有弹力的相互作用而具有的能量，它的变化与弹力做功有关．
3．本章的第二节学习了功的基本知识，知道功有两个要素：力和在力的方向上的位移．功的定义式：W＝F·l.
引入新课
下面请大家看一个关于射箭的视频，并研究一下力对物体做功与物体速度变化之间的关系．
用同一张弓射箭，不同的人拉的幅度不同，产生的效果也不同，拉的幅度越大，弓对箭做功越多，射出的速度越大，射击的距离越远．显然力对物体做功越大，物体获得的速度越大．
下面我们来看一个演示实验：
介绍器材：橡皮筋、滑动小车、一块木板
①橡皮筋一端固定在木板上，一端拉在小车上，把小车拉开一段距离释放，小车要前进一段距离．
②如果把橡皮筋拉开较小距离，再释放小车，明显地可以看到：小车获得的速度比较小；如果用较大的力作用于车，前进较大的距离，获得较大的速度．
从本实验可以看到：对小车做的功越多，车速度的变化就越大．
这就是功与速度变化的定性关系．
『师』刚才我们根据简单的实验现象，只能得到它们之间的最简单的定性关系．根据刚才的演示实验，猜想一下功和速度变化之间会不会就是这样一个最简单关系：是不是速度的变化与力对物体做的功成正比呢？
『生』那不一定，有很多情形．例如：可能做功和速度的平方成正比，也有可能是与速度的三次方成正比，还有可能与速度的平方根成正比等等．
『师』不错！理论和实践告诉我们仅仅知道定性关系是不够的．靠猜测两者的定量关系也是非常不严谨的．我们要选择出适当的实验器材，运用恰当的实验方法，通过更为精确的实验操作探究出功与速度变化的定量关系．
进行新课
今天我们的课题就是《探究功与速度变化的关系》．
『师』要完成今天探究的目标，我们需要通过实验测量得到哪些物理量？
『生』力对物体做的功和力对物体做功后物体对应的速度变化．
『师』很好！一个个的来，第一步我们如何去测量力对物体做的功呢？
『师提示』我们根据功的定义式不难想到：施加给物体一个恒定的并可以测量的力，使物体在这个力的作用下发生一段位移．这样就可以分别通过数据计算得出力对物体做的功和物体速度的变化．
『生』我们在探究加速度与力、质量之间的关系那节课时，曾用过一套实验装置(课件展示)，可不可以用来完成今天的探究任务呢？
『师』很不错！
下面简单引导学生说明用此装置完成本实验的步骤和注意事项．
『师』书上给我们提供的一套探究方法，其设计更为精妙，所涉及的探究内容更为丰富，更能激发我们探究的灵感，培养我们的探究能力．
大家看一下书上的实验所提供的实验器材．介绍实验中所用到的实验器材的作用．该实验研究对象是小车，探究的是橡皮筋对小车做功与小车速度变化的关系．用发生形变的橡皮筋拉着小车由一点释放．请看投影．
『师』小车在木板上运动的过程中，哪一阶段橡皮筋对它做功呢？
『生』橡皮筋对小车做功，在有力的作用时对小车做功，这一阶段橡皮筋从有形变到恢复原长．
『师』我们看到橡皮筋恢复原长以后，就不再对小车施加拉力了．橡皮筋只有对小车有拉力作用时，它才能对小车做功，这个功能不能测量呢？
『生』这个功不能直接测量，因为做功与力和位移有关系．位移可以通过刻度尺，从小车的起点到获得最大速度的位置能测量出来，但是橡皮筋的力跟它的伸长是有关系的，是个变力，其做功的数值不能直接测量或计算．
『师』橡皮筋做的功是很难测量和计算．
1．现在能否想到什么办法，避开功的计算，也不直接测量，而来探究功与速度变化之间的关系呢？
2．假如我们有几根完全相同的橡皮筋，你有没有什么新的想法？
(这里要注意学生可能的一个错误答案：拉开两倍的距离，认为做的功就是前者的两倍．简单说明中点拉开两倍距离，其他的点并不是两倍距离的关系．)
『生』可以把两根橡皮筋并联起来拴到小车上，把小车拉到跟第一次一根橡皮筋同样的距离，还是由静止释放，那两根橡皮筋对小车做的功应该是一根橡皮筋对小车做的功的两倍．因为这两根橡皮筋完全相同，这样利用倍数关系，就避开功具体数值的计算，从而减少了麻烦．
『师』很好！其实我们探究的也就是功与速度变化之间的比例关系，虽然这里变力的功无法计算，但是我们可以运用这种比例关系巧妙地避开功的计算和测量．这种探究思路在科学史上是有先例的．例如库仑在探究静电力的规律时，还没有电量的单位，无法表示出电量的大小．库仑就巧妙地利用平分电量法，列出比例关系，解决了这个问题，从而发现了库仑定律．
橡皮筋做的功不便于测量计算，然而通过改变橡皮筋的条数，保持小车运动距离相同，则橡皮筋弹力做的功与橡皮筋的条数成正比．
我们看投影上，l0是橡皮筋的自由长度，l1是橡皮筋的伸长量，A是起点，B是自由长度处．第一次把小车从A点释放运动到B点橡皮筋做的功记为W的话，第二次把两根橡皮筋并联拴到小车上，拉到A点释放，从A到B的过程中，对小车做的功是前一次的两倍．这个关系的前提条件是：两根橡皮筋是完全一样的．并且运动的起点是同一个起点．那我们如果并联3、4、5根拉到同一点释放，那么橡皮筋对小车做的功之比就是1∶2∶3∶4∶5.
『师』我们解决了橡皮筋做功如何测量的问题，请思考下一个问题：小车在木板上的运动是什么性质的运动？同时展示自摄录像．
『答』先加速再减速，先加速是因为橡皮筋伸长对小车有一拉力作用，迫使小车向前加速运动，等到橡皮筋恢复到原长以后，因为摩擦力的作用，小车开始减速．
『师』我们要探究的是橡皮筋做的功与速度变化的关系，因为橡皮筋是从释放点到自由长度之间做功，思考一个问题：在这一过程中，引起小车速度发生变化的是否就仅有橡皮筋对小车做功？
『生』不是，因为小车在木板上运动不可避免地受到摩擦力的作用，摩擦力要对小车做功，这样影响了我们探究橡皮筋做的功跟小车速度变化的关系了．
课件显示小车所受力情况以及平衡摩擦力的原理
『师』因为木板是水平的，拉力做了功，同时摩擦力也做功了，显然影响小车速度的是橡皮筋的弹力和摩擦力的合力．那我们应该思考怎么样消除摩擦力做功的影响．
『生』可以把木板的一端垫高，形成一斜面，可以让小车重力沿斜面向下的分力和小车所受的摩擦力平衡．
『师』我们把木板的一端垫起来，形成一个斜面，垫起的高度可以通过改变小木板与长木板的相对位置来增加或减少．
如何检验摩擦力是否被平衡？
轻推小车，观察是否在斜面上做匀速下滑，这样就可以检验摩擦力是否被平衡了．在重力沿斜面向下的分力和摩擦力平衡的情况下，小车就只受橡皮筋的弹力作用了．
『师』刚才我们一起分析了橡皮筋所做功和小车的运动情况．下面来探究速度的变化．实验中保证每次小车都是从静止开始加速，小车经橡皮筋做功后的速度大小v就等于小车在这一过程中的速度变化Δv.
『师』橡皮筋到自由长度B处的瞬时速度，如何测量呢？
『生』因为小车在橡皮筋恢复原长以后做匀速直线运动，它到达B点恢复原长时的速度就是以后做匀速直线运动时的速度．我们可以用打点计时器打出纸带来测定小车在匀速直线运动阶段几个计时点之间的平均速度．
我们把前面同学们的想法小结一下：
首先我们平衡摩擦力，让一根橡皮筋拉动小车从某一点运动，测出小车经过自由长度处的速度，第二次用两根同样的橡皮筋，拉动小车从同一点处释放，再一次测出小车经过自由长度处的速度，依次用3根、4根、5根来重复上述步骤做这个实验，这样我们就可以通过实验探究得出功与速度变化的定量关系了．
课件展示实验流程
『师』测数据之前我们还应先做什么前期准备工作呢？
『生』我们应该设计一些实验表格以便在实验中记录最初的实验数据．
『师』很好！实验数据表格的设计可以不拘形式，只要能记录相关的实验数据即可．下面的表格中第一、第二列记录实验中的数据，正如前面的探究所预测，功并不一定和速度成简单的正比，所以为了探究功与速度变化的关系，请在实验完毕后计算出第三、第四列的数值．并在学案上的三幅坐标纸上作出你的探究图象，并初步作出定量判断.
『师』下面大家开始做实验，实验过程中如果遇到什么困难，可以相互讨论一下，也可以和老师进行交流．
学生分组实验，老师巡视、指导、解答学生提出的问题，处理偶发事件，尽可能保证每个组都能顺利完成实验，以便进行后面的数据处理．
『实验完毕』请一组学生把他的数据填入实验过程中在黑板上画出来的表格中．
『师』通过Wv实验数据我们大致可以发现，的确W增大，v也增大，好像是正比关系，这样的猜测自然不行，为了获知做功和速度之间的定量关系，我们该怎样进行数据处理呢？
『师』把橡皮筋拉力的功作为纵坐标，小车的速度作为横坐标，拟合出功随速度变化的图象．图Wv的关系像是一条曲线，对于曲线所表示的关系，我们比较陌生，也就不容易判断．用速度的平方代替速度作为横坐标，或者用速度的三次方代替速度作为横坐标．发现功与速度的平方曲线近似是一条直线．这个图象说明了功与速度的平方成正比(W∝v2)．
『师』同学们对得出这样的实验结论还有什么疑问？
学生可能会说出很多实验中所不完善的地方．
教师总结
今天我们通过探究的方法研究了功与速度变化之间的关系，在这个实验中我们学会了功虽然不能测量，但是我们采用橡皮筋并联的方法照样能得到它们之间的关系．做实验是物理研究的一种重要方法，希望同学们不要因为做一次实验，就想一定得到一个规律，也不要因为做了一次实验，就想否定某一个物理规律．科学史上很多物理规律的得出都是科学家经过无数次的理论探究和实验探索，只有在实验结论与很多实际经验相符合时，才敢宣布他们的研究结论．就像今天我们的实验其实还有很多值得去探究的地方，就好比橡皮筋的选择，我在准备这节课的时候，到市场上买了很多种橡皮筋，做了很多次的尝试和计算，多次实验以后才选中同学们今天做实验用的这个细、均匀圆橡皮筋．其实我们的学习，需要大家敢于质疑，也需要同学们有持之以恒的毅力和不达目的不罢休的动力，才能到达成功的彼岸．
几点思考
得出今天这个结论的前提是物体运动的初速度为零．①如果初速度不为零，那么可能存在什么样的表达式呢？②初速度不为零，这个不为零的初速度又该怎样去测量呢？③本实验中我们未曾改变小车的质量，那么本实验中如果我们改变小车的质量又会出现什么样的情况呢？④本节课之初，我们想到的那一套实验器材，课后同学们有兴趣可以到实验室再来探究，结合我们脑中已有的知识再想想有没有改进的地方？
教学后记
新课程理念中有一点就是要充分调动学生自主探究的热情，引导学生沿着正确的思路去寻求解决疑惑的突破口，通过尽量精确的实验或者推理去解开疑惑，同时体验成功的乐趣，通过学习养成探究的精神，学会能将复杂问题分块分点的转化解决方法．这节课的重难点不是实验的结论，而是去体会和学会宏观把握、分块分点、逐步探究的过程．
文本式教学设计(二)
江苏省清江中学 马乃夫 本教案获江苏新课程教学创新设计大赛二等奖
问题的提出
本课课题是：“探究功与物体速度的变化关系”，笔者在备课前突然看到这一课题，感到十分惊讶，因为教了近二十年高中物理，还说不出功与物体速度的变化关系到底是什么．出于自责和好奇的心理，急忙打开课本阅读，想弄个明白，结果令笔者大失所望，因为课文中实验探究的内容是外力做功与原来静止的物体所获得的速度的关系，结论为功与速度的平方成正比．联系课本下一节“动能和动能定理”的内容，不难得出编者的意图，“是企图通过实验，利用已经从个案中有所领悟的功能关系，探究另一种能量——动能的表达式”．当然，仅从这一实验探究并不能得出动能的表达式，但可以让学生体会到课文中所体现的科学探究方法，尤其是实验数据处理和分析方法．为实现这一目标，笔者在实际教学中，直接将此课题改为“探究动能的表达式”，达到了良好的教学效果．
教学内容分析
1．内容与地位
《普通高中物理课程标准》物理2涉及本内容的是：“通过实验，探究恒力做功与物体动能变化的关系，理解动能和动能定理．”显然，该内容标准要求学生通过自己的探究活动，形成概念和掌握规律．探究动能的表达式，就可以让学生从一个新的角度思考问题，即从功和能相互联系入手，为培养学生进一步学习动能定理，综合分析力学问题打下基础．通过学习，力求激发学生探究未知、敢于创新的意识和乐趣，培养学生科学探究能力和严谨的科学态度．因内容多，能力要求高，要完成教学任务需要2课时．
2．教学目标
(1)通过猜想、推导和实验探究动能的表达式，理解动能的概念；
(2)让学生在探究的过程中大胆发表自己的看法，并与他人相互交流和讨论；
(3)让学生体会科学探究的乐趣，培养他们严谨认真的科学态度．
3．重点与难点
重点：实验探究功与速度的关系．
难点：对决定动能大小的因素的猜想和假设，探究实验的设计、分析．
案例设计
引入：
(1)一个物体在什么情况下才具有动能？
(2)什么是动能？它的物理意义是什么？
(3)观看多媒体视频音像(如快速运动的汽车、瀑布、印度洋海啸等)．
说明：视频音像用时约2～3分钟，主要用来激发学生学习热情，让他们认识到自然界存在巨大的动能，初步体会动能的大小与物体的质量和速度有关．
1．演示实验，让学生认识动能
如图所示，取J2135型碰撞实验器一套做下列实验：
a．让同一小球从同一斜槽的不同高度自由滚下，小球进入槽水平部分后推动水平面上同一静止的小木块运动，观察两种情况下小木块运动的最大距离(小木块不滑离槽水平部分)；
b．让不同质量的小球从同一斜槽的相同高度自由滚下，小球进入槽水平面后推动水平面上同一静止的小木块运动，观察两种情况下小木块运动的最大距离．
提示学生注意观察并思考下列问题：
(1)在第一个对比实验中，同一小球从同一斜槽的不同高度自由滚下，进入槽水平桌面的速度是否相同？对小木块做功的本领在什么情况下更大？
(2)在第二个对比实验中，不同质量的小球从同一斜槽的相同高度自由滚下，小球进入槽水平面时若速度几乎相同的情况下，哪一小球对小木块做功的本领更大？
2．提出问题，让学生猜想
教师提出问题：同学们根据上面的实验观察和日常生活经验，猜想一下运动物体的动能大小与什么因素有关？可分小组讨论．通过讨论，学生发表的意见有：
(1)动能大小与速度大小有关；
(2)动能大小与质量大小有关；
(3)动能大小与加速度大小有关；
(4)动能大小与原来的高度有关；
……
教师对学生提出各种猜想、假设的积极性应及时给予肯定和鼓励，对不适宜的猜想可作出相应的解释和剔除，同时对有一定依据的正确猜想进行归纳：物体的动能大小与物体的速度大小和质量大小有关．
3．理论推导，让学生深入思考
教师提出这样一个问题：一个静止(没有运动)的物体，质量为m，放在一光滑的水平面上，它的动能是多大？若用一水平恒力F拉它，使它运动了一段位移，将获得一速度为v，此时的动能是多大？
对第一个问题，大多数学生立即回答出动能为零，这也是显而易见．对第二个问题，可作适当的知识链接，即先让学生思考功和能是什么关系(可类比重力做功与重力势能的变化关系)，再让学生思考原来动能为零的物体，运动后获得了动能的原因是什么？引发学生思考的过程中步步紧逼问题的实质，再让学生去推导力F做功大小也就是水到渠成的事了．绝大多数同学都能根据牛顿第二定律和运动学公式推导出力F所做的功是mv2/2，得出功与物体的速度平方成正比的结论，看来物体动能的表达式就应该是“mv2/2”了．
4．实验验证，让学生优化设计
教师提醒学生：上述理论推导只是在讨论恒力作用下做功与速度的关系后得出动能的表达式的，但不具备普遍意义．若外力是变力，其做功大小还是与物体速度平方成正比吗？让学生分组讨论：
(1)如何设计实验方案，让众多的方案与教材内容作比较，选出能够大大简化操作的最优方案．如研究对象是什么，不直接测出功的数值是否可行？
(2)若选用教材中实验方案，在实验操作的技巧上应注意什么，如怎样测量小车的速度，如何平衡摩擦力等等．
(3)若得到多组功W与速度v的数据，怎样更直观而又快捷处理而得到功W与速度v的关系．如怎样使用电子表格工具作图分析．
学生进行实验操作，教师作适当的指导(过程略)．通过实验，最终得出功与速度的平方成正比，完全符合当初的猜想和恒力做功情况下理论推导的结论，得出动能的表达式也就是很自然的事了．
说明：让学生讨论设计探究性实验方案，是从分散问题达到各个击破的角度出发，将解决问题的过程细节联系到一起，如用什么方法得到实验数据，数据的可靠性怎么样，如何处理数据等等，这样做有利于学生体会科学探究具体方法，开发学生的创造潜能．
案例教学的评析及反思
这是一个笔者经过实际课堂教学并取得成功的案例．通过对教材课题的变通，明确了教学的具体目标，其教学设计的理念贯穿着科学探究本质的理解，驾驭教材，创造性地使用教材，是新课改中教师必备的学科素养．本案例中的教学活动始终以学生的探究活动为主线去展开，探究过程中把操作技能、科学方法、情感和态度有机地融合在一起，有利于培养学生科学探究的能力和严谨认真的科学态度．
首先，引入多媒体音像和两个对比小实验，引发了学生的观察和思考，为得出问题及学生的猜想、假设奠定了感知的基础．在教学中，让学生体验了提出问题、猜想假设、分组讨论、收集证据、理论推导、实验验证等探究性学习的重要环节，体现了教学活动的民主性、主体性和参与性．其次，在教学活动中，教师鼓励学生积极思考，大胆设计实验，有效地发挥了学生学习的自主性和主动性，并为他们在学习中团结协作互助提供平台．再次，通过对教材课题的变通，教学思路清晰，目标明确，环环紧扣，更有利于学生体会科学探究的基本要素，即观察、假设、推理及实验检验．
从节约时间上考虑，课前有必要复习一下早先做过的“研究匀变速直线运动”实验，尤其是利用打上点的纸带测定速度的方法．同时可将课堂教学中重要环节的回顾和小结作为课后作业布置给学生自主完成．
W
v/(m·s－1)
v2/(m2·s－2)
v3/(m3·s－3)
第1次
1W
第2次
2W
第3次
3W
第4次
4W
第5次
5W