DIS实验系统用于“探究功与速度变化的关系”的教学设计

王理想

（新疆师范大学附属中学，新疆 乌鲁木齐 830054）

1 设计思想

人教版高中物理新课标（必修2），引入“探究功与物体速度变化的关系”实验.通过实验探究对原来静止的物体做的功与物体获得的速度的关系，目的是为了让学生经历和体验探究的过程，提高理论联系实际的水平.本节课围绕创新实验方案设计、实验操作与实验数据处理3个环节引导学生展开探究过程.通过课前分小组预习、讨论得出不同实验方案、教师给予辅导后课堂展示.教师演示教学实验方案、学生分组动手完成不同实验方案并进行实验数据处理等一系列学生为主体开放式教学活动，真正激发学生主动参与的积极性和学习的热情.教师以引导学生发现问题、讨论分析、实验操作、归纳解决问题的探究性教学模式进行探索性学习.培养学生在活动中学习，在主动中发展，在合作中共鸣，在探究中创新.

2 教学目标

（1）知识与能力.能够领会探究功与物体速度变化的关系实验的设计思路；明确弹簧发生形变与之所做的功的关系，利用倍增法简化问题的思想方法；知道利用小车做匀速运动阶段测量速度比较合理.

（2）过程与方法.能独立进行实验操作，会采集实验数据.能够对实验数据进行分析与处理中寻找W与v的关系.

（3）情感态度与价值观.让学生经历自主探究创新、合作学习的情感体验过程.

3 重点难点

本节教学内容的重点创新是实验方案的设计原理，难点是通过对实验数据的分析得出功与物体速度变化的关系.

4 课前准备

（1）学生分组实验器材准备（两大组各准备14组实验，DIS实验系统、铁架台、弹簧、米尺）.

（2）教师辅助教学资料：视频资料（2008年奥运会射箭比赛，汽车刹车），PPT课件.

（3）实验装置图（图1：恒力做功，图2：变力做功）.

图1

图2

5 教学过程

5.1 课题的引入

师：我们都知道物体由于运动而具有的能量叫做动能.例如静止在手中的粉笔头动能是多少？抛出去粉笔头动能发生变化的原因是什么？

师生共同回答：……

师：做功改变物体的速度在生活中的实例很多，请同学们看看下面的录像播放视频1，2008年奥运会射箭比赛.

（生活中的实例创设情景，激发学生探究的欲望和热情，增强民族自豪感.）

提出问题：箭的动能从无到有发生了变化是什么原因引起的？

生：……

继续提问：从能量角度分析箭的动能是那种能量转化来的？弹性势能与哪些因素有关？

生：……

（这种连串的发问促使学生回忆之前所学的知识，为后面弹簧对小车做功多少提供分析参考.学生回答后，教师进行适当地点拨指导.）

播放视频2：汽车刹车视频.

提出问题：汽车的动能怎样变化？从有到无发生了变化是什么原因引起的？（培养学生认真观察能力，积极思考，为后面小车运动过程中受阻力做功提供分析参考.）

生：……

师：力对物体做功会引起物体动能的变化.功与物体动能的变化量间又存在着什么关系呢？从这节课开始我们通过实验的方法来探究力对原静止的物体做的功与物体获得的速度关系.

5.2 实验方案的设计与选择

师：请大家认真考虑一下，利用实验探究功与物体速度变化的关系时需要测量哪些物理量？

生：测量力对物体所做的功及物体运动的速度.

师：又应该怎么表示每次做功的大小呢？物体运动的速度应怎么测量呢？请小组代表上讲台给大家展示实验方案的设计思路.（图3：重力做功，打点计时器测速度.图4：弹簧弹力做功，平抛的知识求速度.）

图3

图4

（对学生设计的实验探究方案给予充分的肯定.鼓励学生利用已知来探究未知规律，培养探究创新能力.）

师：老师也设计2个实验探究方案（讲台上展示实验装置如图1、2）分别请大家回答思考各自实验方案的探究思路、注意事项.（教师据学生的回答情况适当调整教学进程，可加以引导）

师：探究的技巧讲解.

（1）实验方案中怎样解决做功问题？

实验方案1：是利用小车在倾斜轨道上运动所受的合力做功使小车获得动能，来探究小车合力做的功与小车速度的关系.（请同学对小车受力分析，促进学生理解.）

实验方案2：是利用弹簧的弹力拉动小车做功使小车获得动能，来探究变力做的功与小车速度的关系.

（2）小车获得的速度v如何测量？

DIS实验系统：经过光电门时的小车的平均速度认为是小车获得的速度.

（3）注意事项.实验方案1：无需平衡摩擦力；实验方案2：需平衡摩擦力（弹力做功可认为全转化为小车获得的动能）.

（学生在探究加速度与力、质量关系的实验操作中掌握了平衡阻力原因的方法，加以调拨和鼓励表扬学生的回答.）

（4）如何操作获得多组数据？

实验方案1：小车在倾斜轨道上运动所受的合力为恒力（忽略空气阻力），所做的功是恒力功.改变小车距光电门的下滑距离，由静止释放，使小车的下滑距离为L、2L、3L…，相应合力所做的功也就为1 W、2 W、3W…依此类推可以找出功和速度的对应关系.

实验方案2：弹簧的弹力是变力，所做的功是变力功.学生已从上节课探究出弹性势能的表达式小车通过细绳拉弹簧，使弹簧形变，由静止释放小车，弹簧的弹力拉动小车做功.弹簧的形变量为x时对应弹簧的弹力拉动小车做功为1 W、弹簧的形变量为2x时对应弹簧的弹力拉动小车做功为4W，依此类推可以找出功和速度的对应关系.

［请学生分二人小组组装好有关器材，进行实验.一大组完成探究方案1（恒力做功），另一大组完成探究方案2（变力做功）.看看我们采取不同的实验探究方案经过不同小组学生操作在误差允许范围内能否得到相同的实验结论.实现课堂教学多样化.］

5.3 实验数据的分析与处理

得到实验数据后各挑选2个小组的数据展示分析.

师：在W-v图像中得到W、v是一条曲线，说明什么问题（如图5）？请同学们认真想想，是否可以运用其他方法来分析W、v间的函数关系？

图5

图6

［在讨论过程中，要适时地引导学生思考是否可以通过描绘W-v2图线来看看W、v间的函数关系（如图6）.在“添加趋势线”选项中可以实现线性，2次、3次、……、n次等多种曲线性质的选择，使W-v坐标平面上作出的各W、v离散点间拟合出来的曲线的性质更加直观明确.］

实验结论：（引导学生得出结论）功与物体速度的平方成正比.

5.4 作业设计

（1）初速度不为0时，功与物体速度变化的关系又是怎样的呢？

（2）你能运用已有的知识通过理论推导的方法，得出功与物体速度变化的关系式吗？

6 教学反思

本节课符合新课改倡导的“重视对学生进行自主、探究和合作学习能力培养”的理念，师生的双边活动得以有效的开展，学生在学习中的主体地位得到了充分地发挥，学生的个性和能力也得以张扬，也使学生的创新意识和创新思维能力得到了训练和培养.一方面在数据处理上采用DIS实验系统提高数据处理效率、节省时间.在组织学生进行探究活动的过程中，学生的自主活动相对能得到充分的保障.另一方面学生操作的娴熟程度较弱是导致数据采集的时间过长，从而使课堂活动的开放性程度受到了一定的制约.

1 蔡锦曦.“探究功与速度变化的关系”教学设计［J］.中学物理教学参考，2008（10）.

2 王理想.“探究功与速度变化的关系”实验的改进［J］.实验教学与仪器，2014（1）.

3 王理想.“探究功与速度变化的关系”教学设计［J］.物理教学探讨，2014（1）.