探究功与物体速度变化的关系实验的教学设计

吴庆华

摘 要：新课程改革强调三维目标的落实，重视学生实验操作能力的培养，本文给出《实验：探究功与物体速度变化的关系》的教学设计，以此来展示在教学过程中如何落实三维目标，培养学生的实验操作能力。

关键词：功与速度变化；三维目标；教学设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）12（S）-0068-3

1 使用的教材

本课题属于普通高中新课标“人教版”《物理②》必修（2010年4月第3版）第七章《机械能守恒定律》第六节的内容。

2 设计思想

这是一节实验探究课，功能关系是物理学最重要的关系之一，教材安排本节内容的主要目的是让学生经历和体验探究的过程，是对《动能定理》教学的加强。本节课通过分组实验探究功与物体速度变化的关系，让学生对功与物体速度变化的关系有一定的感性认识。即，W∝v2。下一节课再从理论上推导动能定理。新课程这样安排更符合学生的认知规律。为使学生分组实验能够成功，学生要主动有效获取知识，要充分发动学生分组自制符合实验要求的橡皮筋（单根橡皮筋横断面厚0.6 mm～0.8 mm，长30 cm左右，7根为一组），课前认真看书，了解实验原理，认真体会实验数据的处理方法。课上要先通过预习展示，问题门诊等形式解决学生在预习过程中遇到的难点问题和重点问题，为本节课分组实验打好坚实基础。接下来进行的分组实验，由于目标明确、分工具体，学生的实验探究活动会很顺利。最后，各实验小组汇报实验数据，老师利用计算机Excel对各组的实验数据进行处理，让学生多次感知功与物体速度变化的关系，形成感性认识，即，W∝v2。这样既使学生获得了知识，培养了实验探究的能力，又树立了“实践是检验真理的唯一标准”的科学观，顺利达成三维目标。

3 教学目标

3.1 知识与技能

会用打点计时器打下的纸带计算物体运动的速度。学习利用物理图像探究功与物体速度变化的关系。

3.2 过程与方法

通过用纸带与打点计时器来探究功与速度的关系，体验知识的探究过程和物理学的研究方法。

3.3 情感、态度与价值观

通过实验探究，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。

4 教学重点与难点

重点：学习探究功与速度变化关系的物理方法，并会利用图像法处理数据。

难点：实验数据的处理方法——图像法；制作符合分组实验使用要求的橡皮筋。

5 教学准备

5.1 实验器材准备

自制的橡皮筋、长木板（两侧钉钉）、小木块、小车、电火花打点计时器（带纸带、墨粉纸等）及其固定夹子、毫米刻度尺、坐标纸。4人一组，全班14～16组。

5.2 制作多媒体课件

展示实验原理、实验重点、难点问题破析、实验步骤、实验的数据表格及数据记录、利用计算机Excel进行数据处理，描绘W∝v2图像与W-v图像等。

6 教学过程

6.1 新课引入

教师：用计算机投影图片（图1），“同学们，请欣赏这魅力四射的阳光女生”，然后设问：“她放手后橡皮筋对弹子做功吗？你是怎么知道的？”。

学生回答：……

预测学生给出的理由可能是：物体的动能（或速度）变化了和物体在力的方向上有了位移。

教师总结：力对物体做的功与物体的动能关系密切，对物体做功多，物体获得的动能大。关于功与物体的动能关系的认识，如果我们仅仅停留在定性的层面上那是不够的，要想深刻认识功与物体的动能关系，我们必须弄清功与物体动能的定量关系。那么，力对物体做的功与物体的动能有什么样的定量关系呢？我们知道物体的动能和速度有关，对这个问题的探究，我们打算分两步走。第一步即本节课，我们先用实验探究功和物体速度变化的关系。有了本节课的基础第二步即下一节课，我们再从理论上探究功与物体的动能的关系。本节课我们用实验定量探究力、功与物体速度变化的关系。

板书课题：§5.6功与物体速度变化的关系，进行新课教学。

6.2 实验原理

教师：实验原理是实验的灵魂，那么，“探究功与物体速度变化的关系”的实验方案该怎样设计呢？弹弓（出示实物）我们有不少同学玩过，设橡皮筋拉伸的长度一定，见表1如拉一根橡皮筋，橡皮筋对弹子做功为W，弹子获得的速度为v，那么，拉两根橡皮筋，橡皮筋对弹子做功为2W时，弹子获得的速度为几v？如拉三根橡皮筋，橡皮筋对弹子做功为3W，弹子获得的速度为几 v？如是拉四根呢？如拉五根呢？要解决这个问题，我们必须解决弹子获得速度的测量问题。

表1 W与v 的关系

教师：

设问：受之启发，我们把弹子换成小车，如图2这样（投影），小车获得的速度怎么算？

图2 小车的速度测量

预测：学生利用公式v=Δx/Δt，结合纸带计算。

教师：这就是我们这个实验的实验原理。

板书：实验原理。

6.3 问题门诊

教师：俗话说，谋定而后动，三思而后行。这个实验究竟怎么做？实验操作过程的应注意哪些问题？怎样处理数据？组内实验分工等方面一定存在这样、那样的问题，请同学们讨论交流。

板书：问题门诊。

1）实验小组组内同学互相交流问题。

2）实验小组代表向全班公布疑难问题， 同学回答，同学补充。

投影：问题向导。

3）本节实验的目的是要探究橡皮筋对小车所做的功与小车速度变化的关系，但我们又无法测出橡皮筋对小车做功的具体数值，实验中是如何解决这个问题的？

4）橡皮筋恢复到原长时，小车的速度怎么算？是否一定要测出各次小车速度的具体数值？可以怎么做？

5）每次实验中橡皮筋拉伸的长度有什么要求？

学生：认真讨论、思考问题并回答问题向导中老师提出的问题。

教师：倾听学生的回答，帮助学生解决疑难，回答学生可能提出的问题。

投影：问题向导2。

6）橡皮筋对小车在哪个阶段做功？橡皮筋对小车做功是合力功吗？

7）怎样保证橡皮筋对小车做功就是合力功呢？可以采用什么方法进行补偿？（平衡摩擦力）

8）木板应该倾斜到什么程度？在进行此项操作时，是否需要将纸带连到小车上？为什么？

学生：认真讨论，结合实验器材，思考问题，并回答问题向导中老师提出的问题。

教师：倾听学生回答，帮助学生解决疑难，回答学生可能提出的问题。学生回答后，老师边点评边示范边让学生同步操作。

6.4 进行分组实验

教师：指导学生分组实验，要求小组分工明确，责任到人。

投影并板书：参考实验步骤。

1）固定打点记时器，纸带经打点记时器与小车相连。

2）平衡摩擦力：使木板稍稍倾斜，轻推小车，小车匀速运动。

3）在木板两钉上套一组橡皮筋，把小车连好，移到标志线处。

4）接通打点记时器电源，释放小车，打好第一根纸带。

5）取下纸带，给负责测量的同学标号、测距离，记入表格。

6）上好纸带、添加橡皮筋，把小车移到标志线，同上4）、5）步，打出5根或6根纸带。描点、作图。

学生：进行分组实验。

教师：巡视、指导，解答学生提出的问题，处理突发事件。重点指导两三组学生顺利完成实验，以便后面实验数据的处理。

6.5 实验汇报——成果展示

教师：投影实验的数据表格及数据记录（表2）。

表2 W-v2表

教师提出问题：根据测出的数据，怎样预测功与速度的关系？用图像法研究功与速度的关系时怎样使研究过程简便直观？

学生：思考老师提出的问题。

教师（投影）：先对测量数据进行估计，或者作个W-v草图，大致判断两个量可能是什么关系，如果认为很可能是W∝v2就对每一个速度值算出它的二次方，然后以W为纵坐标，v2为横坐标作W-v2图像，如果作出的图像是一条直线，说明两者关系真的是W∝v2。

学生：进行数据处理，并在坐标纸上建立坐标系，作出W-v曲线，W-v2曲线，寻找功与速度的关系。

教师：根据学生汇报的实验数据，利用Excel进行数据处理，描绘W-v2图像与W-v图像。（至少展示4～5组），让学生多次感知功与物体速度变化的关系，形成感性认识。

板书：

实验结论：W∝v2。

师生互动：学生自由提问题，老师答疑。

6.6 课堂总结

教师：本节课我们学到了什么？

学生：概括总结本节的内容。

教师：结合本节课实验，小结科学探究的方法，提出研究的课题、设计可行的方案、实验及数据处理、得出课题的结论。

结束语：物理学是一门以观察、实验为基础的科学，但我们绝对不能心存只靠一两次实验就可以建立一个物理规律或推翻一个物理规律的想法，物理规律来源于物理实验，同时也需要理论支撑，所以，请同学们课后预习下一节课 “动能定理” 内容，理论推导功与物体动能的关系。

“在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。”我们以马克思的名言作为本节课的结束语，希望能与大家共勉。

7 教学后记

学生亲自做实验体验知识的发现过程是培养学生能力的关键，同样思维方法是解决问题的灵魂，也是物理教学的根本。通过实验探究，体会学习的快乐。实验成功则本节课成功，为使学生做好分组实验，课前要充分发动学生参与制作符合实验要求的橡皮筋。只有目标明确，探究才能自如。为了让学生主动有效地获取知识，教师要提前设计好问题，让学生带着问题预习。这样，学生在快乐中获得了知识、提高了实验探究能力，又树立了“实践是检验真理的唯一标准”的科学世界观，圆满达成本节课的三维目标。

参考文献：

[1]阎金铎，郭玉英.中学物理新课程教学概论[M].北京：北京师范大学出版社，2008.

[2]杜敏.普通高中课程标准实验教科书物理必修②（教师教学用书）[M].北京：人民教育出版社，2008.

[3]张前军.《宇宙航行》多媒体教学设计[J].物理教学探讨，2012，（12）：64.

（栏目编辑 邓 磊）

4）橡皮筋恢复到原长时，小车的速度怎么算？是否一定要测出各次小车速度的具体数值？可以怎么做？

5）每次实验中橡皮筋拉伸的长度有什么要求？

学生：认真讨论、思考问题并回答问题向导中老师提出的问题。

教师：倾听学生的回答，帮助学生解决疑难，回答学生可能提出的问题。

投影：问题向导2。

6）橡皮筋对小车在哪个阶段做功？橡皮筋对小车做功是合力功吗？

7）怎样保证橡皮筋对小车做功就是合力功呢？可以采用什么方法进行补偿？（平衡摩擦力）

8）木板应该倾斜到什么程度？在进行此项操作时，是否需要将纸带连到小车上？为什么？

学生：认真讨论，结合实验器材，思考问题，并回答问题向导中老师提出的问题。

教师：倾听学生回答，帮助学生解决疑难，回答学生可能提出的问题。学生回答后，老师边点评边示范边让学生同步操作。

6.4 进行分组实验

教师：指导学生分组实验，要求小组分工明确，责任到人。

投影并板书：参考实验步骤。

1）固定打点记时器，纸带经打点记时器与小车相连。

2）平衡摩擦力：使木板稍稍倾斜，轻推小车，小车匀速运动。

3）在木板两钉上套一组橡皮筋，把小车连好，移到标志线处。

4）接通打点记时器电源，释放小车，打好第一根纸带。

5）取下纸带，给负责测量的同学标号、测距离，记入表格。

6）上好纸带、添加橡皮筋，把小车移到标志线，同上4）、5）步，打出5根或6根纸带。描点、作图。

学生：进行分组实验。

教师：巡视、指导，解答学生提出的问题，处理突发事件。重点指导两三组学生顺利完成实验，以便后面实验数据的处理。

6.5 实验汇报——成果展示

教师：投影实验的数据表格及数据记录（表2）。

表2 W-v2表

教师提出问题：根据测出的数据，怎样预测功与速度的关系？用图像法研究功与速度的关系时怎样使研究过程简便直观？

学生：思考老师提出的问题。

教师（投影）：先对测量数据进行估计，或者作个W-v草图，大致判断两个量可能是什么关系，如果认为很可能是W∝v2就对每一个速度值算出它的二次方，然后以W为纵坐标，v2为横坐标作W-v2图像，如果作出的图像是一条直线，说明两者关系真的是W∝v2。

学生：进行数据处理，并在坐标纸上建立坐标系，作出W-v曲线，W-v2曲线，寻找功与速度的关系。

教师：根据学生汇报的实验数据，利用Excel进行数据处理，描绘W-v2图像与W-v图像。（至少展示4～5组），让学生多次感知功与物体速度变化的关系，形成感性认识。

板书：

实验结论：W∝v2。

师生互动：学生自由提问题，老师答疑。

6.6 课堂总结

教师：本节课我们学到了什么？

学生：概括总结本节的内容。

教师：结合本节课实验，小结科学探究的方法，提出研究的课题、设计可行的方案、实验及数据处理、得出课题的结论。

结束语：物理学是一门以观察、实验为基础的科学，但我们绝对不能心存只靠一两次实验就可以建立一个物理规律或推翻一个物理规律的想法，物理规律来源于物理实验，同时也需要理论支撑，所以，请同学们课后预习下一节课 “动能定理” 内容，理论推导功与物体动能的关系。

“在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。”我们以马克思的名言作为本节课的结束语，希望能与大家共勉。

7 教学后记

学生亲自做实验体验知识的发现过程是培养学生能力的关键，同样思维方法是解决问题的灵魂，也是物理教学的根本。通过实验探究，体会学习的快乐。实验成功则本节课成功，为使学生做好分组实验，课前要充分发动学生参与制作符合实验要求的橡皮筋。只有目标明确，探究才能自如。为了让学生主动有效地获取知识，教师要提前设计好问题，让学生带着问题预习。这样，学生在快乐中获得了知识、提高了实验探究能力，又树立了“实践是检验真理的唯一标准”的科学世界观，圆满达成本节课的三维目标。

参考文献：

[1]阎金铎，郭玉英.中学物理新课程教学概论[M].北京：北京师范大学出版社，2008.

[2]杜敏.普通高中课程标准实验教科书物理必修②（教师教学用书）[M].北京：人民教育出版社，2008.

[3]张前军.《宇宙航行》多媒体教学设计[J].物理教学探讨，2012，（12）：64.

（栏目编辑 邓 磊）

4）橡皮筋恢复到原长时，小车的速度怎么算？是否一定要测出各次小车速度的具体数值？可以怎么做？

5）每次实验中橡皮筋拉伸的长度有什么要求？

学生：认真讨论、思考问题并回答问题向导中老师提出的问题。

教师：倾听学生的回答，帮助学生解决疑难，回答学生可能提出的问题。

投影：问题向导2。

6）橡皮筋对小车在哪个阶段做功？橡皮筋对小车做功是合力功吗？

7）怎样保证橡皮筋对小车做功就是合力功呢？可以采用什么方法进行补偿？（平衡摩擦力）

8）木板应该倾斜到什么程度？在进行此项操作时，是否需要将纸带连到小车上？为什么？

学生：认真讨论，结合实验器材，思考问题，并回答问题向导中老师提出的问题。

教师：倾听学生回答，帮助学生解决疑难，回答学生可能提出的问题。学生回答后，老师边点评边示范边让学生同步操作。

6.4 进行分组实验

教师：指导学生分组实验，要求小组分工明确，责任到人。

投影并板书：参考实验步骤。

1）固定打点记时器，纸带经打点记时器与小车相连。

2）平衡摩擦力：使木板稍稍倾斜，轻推小车，小车匀速运动。

3）在木板两钉上套一组橡皮筋，把小车连好，移到标志线处。

4）接通打点记时器电源，释放小车，打好第一根纸带。

5）取下纸带，给负责测量的同学标号、测距离，记入表格。

6）上好纸带、添加橡皮筋，把小车移到标志线，同上4）、5）步，打出5根或6根纸带。描点、作图。

学生：进行分组实验。

教师：巡视、指导，解答学生提出的问题，处理突发事件。重点指导两三组学生顺利完成实验，以便后面实验数据的处理。

6.5 实验汇报——成果展示

教师：投影实验的数据表格及数据记录（表2）。

表2 W-v2表

教师提出问题：根据测出的数据，怎样预测功与速度的关系？用图像法研究功与速度的关系时怎样使研究过程简便直观？

学生：思考老师提出的问题。

教师（投影）：先对测量数据进行估计，或者作个W-v草图，大致判断两个量可能是什么关系，如果认为很可能是W∝v2就对每一个速度值算出它的二次方，然后以W为纵坐标，v2为横坐标作W-v2图像，如果作出的图像是一条直线，说明两者关系真的是W∝v2。

学生：进行数据处理，并在坐标纸上建立坐标系，作出W-v曲线，W-v2曲线，寻找功与速度的关系。

教师：根据学生汇报的实验数据，利用Excel进行数据处理，描绘W-v2图像与W-v图像。（至少展示4～5组），让学生多次感知功与物体速度变化的关系，形成感性认识。

板书：

实验结论：W∝v2。

师生互动：学生自由提问题，老师答疑。

6.6 课堂总结

教师：本节课我们学到了什么？

学生：概括总结本节的内容。

教师：结合本节课实验，小结科学探究的方法，提出研究的课题、设计可行的方案、实验及数据处理、得出课题的结论。

结束语：物理学是一门以观察、实验为基础的科学，但我们绝对不能心存只靠一两次实验就可以建立一个物理规律或推翻一个物理规律的想法，物理规律来源于物理实验，同时也需要理论支撑，所以，请同学们课后预习下一节课 “动能定理” 内容，理论推导功与物体动能的关系。

“在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。”我们以马克思的名言作为本节课的结束语，希望能与大家共勉。

7 教学后记

学生亲自做实验体验知识的发现过程是培养学生能力的关键，同样思维方法是解决问题的灵魂，也是物理教学的根本。通过实验探究，体会学习的快乐。实验成功则本节课成功，为使学生做好分组实验，课前要充分发动学生参与制作符合实验要求的橡皮筋。只有目标明确，探究才能自如。为了让学生主动有效地获取知识，教师要提前设计好问题，让学生带着问题预习。这样，学生在快乐中获得了知识、提高了实验探究能力，又树立了“实践是检验真理的唯一标准”的科学世界观，圆满达成本节课的三维目标。

参考文献：

[1]阎金铎，郭玉英.中学物理新课程教学概论[M].北京：北京师范大学出版社，2008.

[2]杜敏.普通高中课程标准实验教科书物理必修②（教师教学用书）[M].北京：人民教育出版社，2008.

[3]张前军.《宇宙航行》多媒体教学设计[J].物理教学探讨，2012，（12）：64.

（栏目编辑 邓 磊）