DIS實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于“探究功與速度變化的關(guān)系”的教學(xué)設(shè)計(jì)

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(jì)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(shí)驗(yàn).通過實(shí)驗(yàn)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(yàn)探究的過程，提高理論聯(lián)系實(shí)際的水平.本節(jié)課圍繞創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案、教師給予輔導(dǎo)后課堂展示.教師演示教學(xué)實(shí)驗(yàn)方案、學(xué)生分組動手完成不同實(shí)驗(yàn)方案并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)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(yùn)動階段測量速度比較合理.

（2）過程與方法.能獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，會采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(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(yàn)過程.

3 重點(diǎn)難點(diǎn)

本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)創(chuàng)新是實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)原理，難點(diǎn)是通過對實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備（兩大組各準(zhǔn)備14組實(shí)驗(yàn)，DIS實(shí)驗(yàn)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(yùn)會射箭比賽，汽車剎車），PPT課件.

（3）實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(shí)例很多，請同學(xué)們看看下面的錄像播放視頻1，2008年奧運(yùn)會射箭比賽.

（生活中的實(shí)例創(chuàng)設(shè)情景，激發(fā)學(xué)生探究的欲望和熱情，增強(qiáng)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(diǎn)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(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)與選擇

師：請大家認(rèn)真考慮一下，利用實(shí)驗(yàn)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(yùn)動的速度.

師：又應(yīng)該怎么表示每次做功的大小呢？物體運(yùn)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(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)思路.（圖3：重力做功，打點(diǎn)計(jì)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(jì)的實(shí)驗(yàn)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(jì)2個實(shí)驗(yàn)探究方案（講臺上展示實(shí)驗(yàn)裝置如圖1、2）分別請大家回答思考各自實(shí)驗(yàn)方案的探究思路、注意事項(xiàng).（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(shí)驗(yàn)方案中怎樣解決做功問題？

實(shí)驗(yàn)方案1：是利用小車在傾斜軌道上運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xiàng).實(shí)驗(yàn)方案1：無需平衡摩擦力；實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yáng)學(xué)生的回答.）

（4）如何操作獲得多組數(shù)據(jù)？

實(shí)驗(yàn)方案1：小車在傾斜軌道上運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn).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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論.實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)多樣化.］

5.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理

得到實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(xiàng)中可以實(shí)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(diǎn)間擬合出來的曲線的性質(zhì)更加直觀明確.］

實(shí)驗(yàn)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(jì)

（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(yùn)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(yáng)，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(shí)驗(yàn)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(jì)［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(shí)驗(yàn)的改進(jìn)［J］.實(shí)驗(yàn)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(jì)［J］.物理教學(xué)探討，2014（1）.