【同步備課】2020年高中物理教學設計(新人教必修二)7.6《實驗：探究功與物體速度變化的關系》2

6試驗:探究功與速度變化的關系整體設計各種力做功都與其對應的某種能量有關系,爭辯出它們的關系,就能確立相應能量的表達式.例如通過重力做功確立了重力勢能的表達式,通過彈力做功確立彈性勢能的表達式.動能是物體由于運動而具有的能,物體的動能與它的速度親密相關,而物體速度的變化與它受的力有關,當物體運動而發(fā)生位移時,它所受的力又會做功,因此力對物體做的功與物體速度變化有親密的關系.本節(jié)課就是探究功與速度變化的關系,為下一節(jié)動能的學習作預備.本節(jié)是一節(jié)探究試驗課.在進行試驗探究、收集數(shù)據(jù)時,需要考慮什么是有價值的數(shù)據(jù),用什么方法來獲得數(shù)據(jù),以及如何證明這些數(shù)據(jù)是牢靠的.在進行試驗時,操作應規(guī)范;在收集數(shù)據(jù)時,應實事求是,堅持嚴謹認真的科學態(tài)度.對試驗所得到的結論要會推斷是否科學,推斷的標準就是看其是否具有重復性,即不論由哪位同學來做這個試驗,也不論做幾次,在允許的誤差范圍內(nèi)結果都應當是相同的.過去我們強調(diào)的試驗,主要所指為操作技能,現(xiàn)在強調(diào)的試驗,除了操作技能外,期望同學更加重視試驗中的科學思想與技能的學習.比如在探究功與速度變化的關系時,并不需要計算功的具體數(shù)值,緣由是什么?在探究之前,要重點把握本試驗中的探究方法.另外用圖象處理數(shù)據(jù)比較形象、直觀,而且誤差也小,所以這種方法必需能夠嫻熟應用.教學重點學習探究功與速度變化關系的物理方法,并會利用圖象法處理數(shù)據(jù).教學難點1.試驗數(shù)據(jù)的處理方法——圖象法.2.試驗過程中的規(guī)范操作.課時支配1課時三維目標學問與技能1.會用打點計時器打下的紙帶計算物體運動的速度.2.學習利用物理圖象探究功與物體速度變化的關系.過程與方法1.通過紙帶與打點計時器來探究功與速度的關系，體驗探究過程和物理學的爭辯方法.2.實際探究過程中如何把變力做功這個問題解決.情感態(tài)度與價值觀1.體驗探究的困難，享受成功的樂趣.2.通過試驗探究，體會學習的歡快，激發(fā)學習的愛好；通過親身實踐，樹立“實踐是檢驗真理的唯一標準”的科學觀.課前預備小車(前面帶小鉤),長木板(兩側適當?shù)膶ΨQ位置釘兩個釘子),橡皮筋(5—6條),打點計時器及電源、紙帶等.教學過程導入新課情景導入情境1如圖所示,奧運會上,某射箭運動員拉弓射箭,箭在彈力作用下,獲得很大速度射出去.情境2如下圖所示,行駛中的汽車,因前方有路障而緊急剎車,汽車在阻力作用下漸漸停下來.以上兩種情境有何共同特點?復習導入復習舊知：1.重力做功與重力勢能:重力做功與路徑無關.重力勢能是物體和地球這個系統(tǒng)所共有的,具有相對性.重力做功等于重力勢能增量的相反數(shù),即WG=-ΔEp=mgh1-mgh2.2.彈力做功與彈性勢能發(fā)生彈性形變的物體各部分之間存在彈性勢能,和重力勢能一樣,彈性勢能也具有相對性.利用類比和無限分割再累積的方法可以推得彈性勢能的表達式.彈性勢能的轉變與彈力做功有關：W彈=-ΔEp=力對物體做功與動能確定有關系,而動能與速度直接對應,本節(jié)課我們來探究功與速度變化的關系.問題導入“在很早的時候人們就生疏到,要想使物體運動是要付出代價的”,在現(xiàn)實生活中我們也經(jīng)常遇到這樣的例子:要想使汽車運動起來是要消耗汽油的;要想使火箭獲得一個很大的速度,從而飛向太空,這同樣要消耗大量的燃料;要想使鉛球、鐵餅等物體獲得初速度從而把它們投擲出去,這也需要運動員耗費大量的體力.以上各種現(xiàn)象中,要使物體獲得的速度越大,需要付出的代價也越高.這說明白什么物理問題.推動新課一、探究的思路問題探究1.閱讀課文,說出該探究試驗的目的、試驗所需要的器材及試驗的設計思路.2.課本中利用不同數(shù)目的橡皮筋拉動小車做功,對此,你有何生疏?怎樣選擇橡皮筋才盡可能減小誤差?3.試驗時為何要平衡摩擦力?如何平衡?4.試驗中如何來測定小車的速度?如何從紙帶上分析出小車在通過B點時的速度?點評：探究學習方式特殊強調(diào)問題在學習過程中的重要性.強調(diào)通過問題來進行學習,把問題看作是學習的動力、起點和貫穿于學習過程的主線.上述一連串的問題由易到難,由簡到繁,由小到大,層層推動,通過問題的設置,引導同學學會思考分析,學會發(fā)覺問題、解決問題.同學活動:帶著問題閱讀課文,思考、溝通、解決問題,同學代表發(fā)言.師生互動:同學代表在回答問題過程中,老師賜予評價、引導,使問題的答案精確?????、規(guī)范.試驗探究試驗目的：(1)通過試驗探究力對物體做的功與物體速度變化的關系.(2)體會探究的過程和所用的方法.試驗器材:木板、小車、橡皮筋、打點計時器及電源、紙帶等.設計思路:如圖所示(1)設法讓橡皮筋對小車做的功分別為W、2W、3W……(2)由紙帶和打點計時器分別測出小車獲得的速度v1、v2、v3……(3)以橡皮筋對小車做的功為縱坐標(以第一次試驗時的功W為單位),小車獲得的速度為橫坐標,作出W-v曲線.(4)假如W-v曲線是一條直線,表明W∝v;假如不是直線,可著手考慮是否存在下列關系:W∝v2、W∝v3、W∝……(5)依據(jù)Wv草圖,大致推斷兩個量可能是什么關系.假如認為很可能是W∝v2,就做出Wv2曲線,假如這條曲線是一條直線,就可以證明你的推斷是正確的.留意事項：1.橡皮筋拉小車時的作用力是變力,我們不能求變力做功問題,但選用相同的橡皮筋,且伸長量都一樣時,橡皮條數(shù)目的關系就是做功多少的關系,因此,可以不需求出變力功的大小,就知道功的關系.2.市售的橡皮筋粗細不一,全都性差,彈力偏大.不同的橡皮筋之間的彈力差異也較大,不能滿足本試驗的要求.而且用至少4根以上時彈力過大,使打出的紙帶點數(shù)過少,以致找不出小車不受力勻速運動時所打出的點.可選擇服裝中使用的多股橡皮筋的松緊帶,要認真地剪成單股.3.試驗中的小車不行避開地要受摩擦力的作用,我們爭辯拉力對小車做功和速度的關系,應排解其他力的影響.可將木板的一端稍墊高,輕推小車,觀看小車是否做勻速運動,使重力的分力與摩擦力相平衡,消退摩擦力的影響.4.(1)用打點計時器來測速度;(2)用頻閃照相來測速度;(3)用傳感器借助計算機來測速度.由于試驗器材和每次操作過程的分散性,尤其是橡皮筋不行能做到各條之間的長度、粗細完全全都,使得每次轉變橡皮筋的條數(shù)以后,紙帶上反映小車勻速運動階段的點數(shù),和這些點的位置不肯定消滅在事先設定的B點,可能在B點前后.這是由于小車在幾條橡皮筋拉動下運動至B點時,還可能受到其中某條橡皮筋的拉力.因此對紙帶上的點要進行分析,方法是比較B點之前及B點之后若干個相鄰兩點間的距離是否基本相同.選擇相鄰距離基本相同的若干個點作為小車的勻速運動階段,用這些點計算小車的速度.二、操作的技巧老師活動：利用多媒體呈現(xiàn)問題,讓同學思考、回答.問題：1.設想若不平衡摩擦,紙帶上的點會是什么樣的?平衡摩擦之后,做該試驗紙帶上的點又是什么樣的?2.紙帶上的點距并不都是均勻的,應當選用哪些點距來確定小車的速度?為什么?3.在轉變橡皮筋的條數(shù)后,為什么要把小車拉到相同的位置釋放?不這樣做會消滅什么現(xiàn)象?同學活動:分組爭辯.師生互動:同學發(fā)言,老師點評、總結.明確:1.若不平衡摩擦,小車在開頭時受橡皮筋的拈力和摩擦力.拉力漸漸變小,摩擦力不變.在兩個力相等前做加速度越來越小的加速運動,兩力相等時速度達到最大.之后兩力的合力方向與速度方向相反,合力開頭做負功,做加速度越來越大的減速運動,當橡皮筋恢復原長后僅受摩擦力,做勻減速直線運動.故紙帶上的點是兩頭密、中間疏,幾乎找不到間距相等的點.平衡摩擦后,小車開頭做加速度越來越小的加速運動,橡皮筋恢復原長后做勻速直線運動,故點跡是開頭密,越來越疏,之后間距相等.2.由上述分析可知,平衡摩擦后,紙帶上的點并不都是均勻的.在小車做加速運動的過程中,橡皮筋還在連續(xù)對小車做功,恢復原長,做功完畢.小車做勻速運動,因此我們要選擇點距相等的點來確定小車的速度.具體做法:測出點距相等的n個點間的位移x,v=.3.由上一節(jié)探究已經(jīng)知道,彈簧或橡皮筋彈性勢能為kx2.每次必需拉至相同位置,目的是保證每次試驗每條橡皮筋的彈性勢能相同,這樣橡皮筋的條數(shù)與彈性勢能成正比,使得做的功與橡皮筋的條數(shù)成正比.隨著橡皮筋條數(shù)的增多,做功分別為W、2W、3W……若不嚴格拉至同一位置,就不滿足上述狀況,造成較大誤差.三、數(shù)據(jù)的處理老師活動：提出問題,讓同學思考,回答.問題：1.對于試驗所得到的數(shù)據(jù),我們?nèi)绾翁幚?2.描繪圖象時我們應留意哪些問題?同學分析、思考、回答:師生互動:同學回答,老師點評,引導.明確:1.將得到的一組(W,v)值描點于W-v坐標平面內(nèi),從點的分布狀況來大致推斷應當是什么樣的曲線,然后分別摸索畫出W與v、W與v2、W與v3、W與之間的圖象.由于直線關系最簡潔推斷兩個物理量的關系,所以通過摸索,找出哪一組是正比關系,最終確定功與速度的最終關系,也可借助計算機來進行分析、整理.2.數(shù)據(jù)處理同樣體現(xiàn)了探究問題的思路,在Wv坐標系中描繪出W、v的各對應點后,既要觀看各點的位置關系,又要思考這些點之間應有的函數(shù)關系.由于試驗誤差,這些點的位置有可能表現(xiàn)為直線分布,也可能表現(xiàn)為曲線分布.一般呈直線分布的緣由是由于橡皮筋的拉力較大,小車的速度比較大,加之試驗次數(shù)少,所取的點數(shù)也少,使W、v各對應點近似成線性分布.可以從兩方面解決:在小車上加砝碼,增大小車質量,使小車速度不致過快;另外在畫圖時加大縱坐標的單位長度.從原點O開頭描繪圖線也可以避開畫成直線.畫圖線時應畫成平滑的曲線,不能連成折線;在畫直線時應盡可能使點落在直線上,不能落在直線上的點應均勻分布在直線的兩側,如圖甲、乙所示.老師活動:要求同學依據(jù)試驗的設計思路,歸納進行試驗的步驟.分小組進行試驗,老師觀看同學試驗,準時賜予掛念或引導.同學活動:歸納試驗步驟,按步驟進行試驗.問題探究問題:爭辯汽車的制動距離與車速的關系導思：汽車的制動性能，是衡量汽車性能的重要指標.在一次汽車制動性能的測試中，司機踩下剎車閘，使汽車在阻力作用下漸漸停止運動.下表中記錄的是汽車由不同速率行駛時，制動后所經(jīng)過的距離.汽車速率v/(km·h-1)制動距離s/m101204401660？可以依據(jù)表中的數(shù)據(jù)，分析以下問題：1.為什么汽車的速率越大，制動的距離也越大？2.讓汽車載上3名乘客，再做同樣的測試，結果發(fā)覺制動距離加長了.試分析緣由.3.設汽車在以60km/h的勻速率行駛的時候制動，在表中填上（沒有乘客時的）制動距離的近似值.試說明你分析的依據(jù)和過程.你可以運用動能定理列方程組解答，也可以通過分析表中的數(shù)據(jù)，找出車速v跟制動距離s的（比例）關系，從而求出當汽車速率為60km/h時的制動距離.探究：以汽車為爭辯對象.在制動過程中，剎車產(chǎn)生的阻力對汽車做負功，汽車制動后的末速度是零.假設汽車制動時的阻力不變，由動能定理可知，汽車制動前的初速度（初動能）越大，制動時阻力做的功也越多，因而制動過程中經(jīng)過的距離也越長.汽車載客越多，汽車的動能越大.因此，在制動過程中克服阻力做功越多，沖出的距離就越長.當大路上行駛的車輛意外發(fā)生碰撞時，它們的損壞程度和事故的嚴峻性跟碰撞前車輛的動能大小有關，而車輛的動能則取決于車輛的質量和速度的平方.因此在大路上，尤其是在高速大路上，都有限制車速的標志.貨車、客車的質量較大，對它們速度大小的限制值要比轎車小一些.如高速大路對中、重型車輛和客車的車速限制一般是100km/h，對轎車一般是120km/h.有的汽車（如城市中的雙層客車）在設計時廠家就把車速限制在70km/h；當汽車速度高于70km/h時，即使駕駛員踩油門，燃油系統(tǒng)也不會把燃油送到發(fā)動機中，直到汽車速度低于70km/h，才會恢復供油.例關于探究功與物體速度變化的關系試驗中,下列敘述正確的是（）A.每次試驗必需設法算出橡皮筋對小車做功的具體數(shù)值B.每次試驗中,橡皮筋拉伸的長度沒有必要保持全都C.放小車的長木板應當盡量使其水平D.先接通電源,再讓小車在橡皮筋的作用下彈出解析：本試驗沒有必要測出橡皮筋做的功到底是多少焦耳,只要測出以后各次試驗時橡皮筋做的功是第一次試驗時的多少倍就已經(jīng)足夠了,A錯.每次試驗橡皮筋拉伸的長度必需保持全都,只有這樣才能保證以后各次試驗時,橡皮筋做的功是第一次試驗時的整數(shù)倍,B錯.小車運動中會受到阻力,只有使木板傾斜到肯定程度,才能減小誤差,C錯.試驗時,應當先接通電源,讓打點計時器開頭工作,然后再讓小車在橡皮筋的作用下彈出,D正確.答案：D點評：做試驗前,要先了解探究的內(nèi)容、思路、方法,才能對試驗中存在的問題進行正確處理.例2某同學在探究功與物體速度變化的關系時得到了W與v的一組數(shù)據(jù),請你對這些數(shù)據(jù)進行處理,并確定W與v之間的關系.W0.001.002.003.004.005.006.00v/(m·s-1)0.000.801.101.281.531.761.89v20.000.641.211.642.343.103.57解析：以W為縱坐標,v為橫坐標,作出W-v曲線.以W為縱坐標,v2為橫坐標,作出W-v2曲線.由圖象可看出:W∝v2.點評：用圖象法分析兩物理量之間的關系,很直觀,也很清楚.2.設自行車無動力