2022年人教版高中物理必修二教案：7-6 實驗：探究功與速度變化的關(guān)系

2022年人教版高中物理必修二教案：7-6 實驗：探究功與速度變化的關(guān)系【教學目標】1、知識與技能（1）會用打點計時器打下的紙帶計算物體運動的速度；（2）學習利用物理圖像探究功與物體速度變化的關(guān)系?！窘虒W重點】學習探究功與物體速度變化的關(guān)系的物理方法倍增法，并會利用圖像法處理數(shù)據(jù)?！窘虒W難點】實驗數(shù)據(jù)的處理方法圖像法【教學課時】1課時【探究學習】閱讀教材，提出方法（1）實驗裝置：見右圖。配套器材：課本方案裝置（2）實驗思想方法：倍增法。雖為變力做功，但橡皮條做的功，隨著橡皮條數(shù)目的成倍增加功也成倍增加。這種方法的構(gòu)思極為巧妙。歷史上，庫侖應用類似的方法發(fā)現(xiàn)了著名的庫侖定律。當然，恒力做功時，倍增法同樣適用。（3）數(shù)據(jù)處理方法：圖像法。作出功速度（W-v）曲線，分析這條曲線，得出功與速度變化的定量關(guān)系。學生思考，提出預案（1）學生提出多種設(shè)計預案，在課上展示設(shè)計的思路和方法： 課本方案、氣墊導軌加數(shù)字毫秒計方案、鐵架臺打點計時器自由落體方案等。 （2）教師針對各種設(shè)計預案，進行分析：主要從合理性、科學性、可行性等方面進行分析，略。師生研討，初定方案1、制定基本的實驗方案：（師生互動）互動以下面幾個問題為中心展開：（1）探究中，我們是否需要橡皮筋做功的具體數(shù)值？不需要。因為實驗是以倍增的思想方法設(shè)計，若橡皮筋第一次做功為W，則橡皮筋第二次做功為2W，、橡皮筋第n次做功為nW。且實驗巧妙地將倍增的物理方法應用于變力做功。（2）為了達到各次實驗中橡皮筋做的功成倍增加，即實現(xiàn)倍增，對各次實驗中橡皮筋的伸長量有什么要求？你想出了什么辦法？各次實驗中橡皮筋的伸長量必須相同。若使小車在橡皮筋的變力作用下產(chǎn)生的位移相同，就要有相同的運動起點。具體方法是：以第一次實驗時小車前（或后）端的位置為基準，垂直運動方向在木板上作出一條水平線。以后改變橡皮筋的條數(shù)時，小車前（或后）端仍以此位置為基準（均從靜止）運動。（3）小車獲得的速度怎樣計算？小車在橡皮筋作用結(jié)束后，做勻速運動。找出紙帶中點距相等的一段。求出點距相等一段的平均速度，即為小車勻速運動的速度，即小車加速后獲得的速度。（4）是否一定需要測出每次加速后小車速度的數(shù)值？可以怎樣做？不一定需要。（當然，也可以測出每次加速后小車速度的數(shù)值）設(shè)第一次小車獲得的速度為v,小車在第一次、第二次、第n次實驗中的速度為： 若令則即小車在第二次以后實驗中獲得的速度可以用第一次實驗中獲得的速度的倍數(shù)來表示。（5）實驗完畢后，用什么方法分析橡皮筋對小車做的功與小車速度的關(guān)系？圖像法。（6）如何在坐標紙上建立兩軸物理量？如何確定適當?shù)臉硕?？縱坐標表示橡皮筋對小車做的功，橫坐標表示小車獲得的速度。以第一次實驗時的功W為縱軸的單位長度（必須用），可以用第一次實驗時的速度v為橫軸的單位長度（也可以根據(jù)各次實驗中的最大速度值、坐標紙的最大格數(shù)來確定），作出W-v曲線，即功速度曲線。2、確立基本的實驗方案，設(shè)計初步的實驗步驟：A.先將木板置于水平桌面，然后在釘有鋼釘?shù)拈L木板上，放好實驗小車。B.把打點計時器固定在木板的一端，將紙帶穿過打點計時器的限位孔，紙帶一端夾緊在小車的后端，打點計時器接電源。C.過兩釘中垂線上的適當位置作兩釘?shù)钠叫芯€，交中垂線于O點，作為小車每次運動的起始點。D.使用一根橡皮筋時，將小車的前端拉到O點，接通電源，打點計時器打點，釋放小車，小車離開木板前適時使小車制動，斷開電源，取下紙帶。重復本項前面的過程，選出點跡清晰的紙帶。（求出小車獲得的速度。暫不求）E.換用同樣材料、粗細、長度的兩根、三根、六根橡皮筋，依照D項的方法，分別進行實驗。（得出各次實驗中小車分別獲得的速度。暫不求）F.以功為縱軸（第一次橡皮筋做的功為縱軸的單位長度），以速度為橫軸（第一次小車的速度為橫軸的單位長度），建立坐標系，用描點法作出圖像，看看是否是正比例圖像，若不是，功與速度的哪種相關(guān)量（的變化量）是正比的，功就與速度的這種相關(guān)量（的變化量）具有確定的函數(shù)關(guān)系。學生實驗，教師指導1、學生按確定方案開始初步實驗。（首先完成實驗操作方案的前四步）2、教師適時提出問題，指導學生操作的技巧，針對問題，完善實驗操作。（1）小車運動中會受到阻力，可以采用什么方法進行補償？可以采用平衡摩擦力的方法。具體操作是：使木板略微傾斜，將小車（車后拴紙帶）放到木板上，輕推小車，小車運動，觀察紙帶的點距。調(diào)節(jié)木板的傾角，觀察紙帶的點距，直到點距相等，表明恰平衡摩擦力（若用氣墊導軌，調(diào)節(jié)導軌的傾角，若擋光條遮光的時間通過數(shù)字毫秒計顯示時間相等，即恰平衡摩擦力）。（2）觀察打點的紙帶，點距是如何變化的？點距是否均勻？問題出在哪里？若恰能平衡摩擦力，試分析小車會做何種運動？應該采用哪些點距來計算小車的速度？先增大，后減小。不均勻（不是勻加速）。沒有平衡摩擦力。就要用到補償法。先加速（但非勻加），后勻速。應采用小車做勻速運動那一段的點距來計算速度。因為勻速的速度就是橡皮條對小車作用的最終速度；由于小車在橡皮條變力作用下做非勻加速運動，最終速度不能用勻變速運動紙帶的處理方法得到，但可以用勻速運動紙帶的處理方法得到。（3）使木板略微傾斜，調(diào)節(jié)木板的傾角，經(jīng)檢驗恰好平衡摩擦力。可以做一系列地平行線，選適當?shù)奈恢米鳛锳，重新標出小車運動的初始位置A。（體現(xiàn)完善實驗的過程）（4）確立可操作實驗方案，設(shè)計合理的實驗步驟：A.先將木板置于水平桌面，然后在釘有鋼釘?shù)拈L木板上，放好實驗小車。B.把打點計時器固定在木板的一端，將紙帶穿過打點計時器的限位孔，紙帶一端夾緊在小車的后端，打點計時器接電源。C.使木板略微傾斜，調(diào)節(jié)木板的傾角，測量紙帶點距直到相等，表明恰好平衡摩擦力。D.過兩釘中垂線上的適當位置作兩釘?shù)钠叫芯€，交中垂線于A點，作為小車每次運動的起始點。E.使用一根橡皮筋時，將小車的前（或后）端拉到A點，接通電源，打點計時器打點，釋放小車，小車離開木板前適時使小車制動，斷開電源，取下紙帶。重復本項前面的過程，選出清晰的紙帶。記下點距相等后t=0.1s的位移m，求出小車獲得的速度v=10m/s。F.換用同樣材料、粗細、長度的兩根、三根、六根橡皮筋，依照D項的方法，分別進行實驗。記下各次實驗中點距相等后t=0.1s的位移m,求出小車分別獲得的速度m/s。G.以功為縱軸（用第一次橡皮筋做的功為縱軸的單位長度），以速度為橫軸（可以用適當?shù)乃俣戎禐閱挝婚L度，也可以用第一次小車的速度為橫軸的單位長度），建立坐標系，用描點法作出圖像，看看是否是正比例圖像，若不是，功與速度的哪種相關(guān)量（的變化量）是正比的，功就與速度的這種相關(guān)量（的變化量）具有確定的函數(shù)關(guān)系。處理數(shù)據(jù)，得出規(guī)律1、 采集橡皮條分別為一根、兩根、六根時的數(shù)據(jù)（勻速運動階段，例如在0.1s內(nèi)的位移），記在自己設(shè)計的表格中。A. 記錄數(shù)據(jù)的方式示例示例一數(shù)據(jù)關(guān)系123456W/×WJ123456X/×10-2mX1X2X3X4X5X6v/vV1V2V3V4V5V6示例二倍數(shù)關(guān)系123456W/×WJ123456X/×10-2mX1X2X3X4X5X6v/vv（X2/X1）v（X3/X1）v（X4/X1）v（X5/X1）v（X6/X1）v3.轉(zhuǎn)化成Excel數(shù)據(jù)，利用數(shù)表軟件進行數(shù)據(jù)處理示例一數(shù)據(jù)關(guān)系x/（cm）04.115.537.078.209.109.98W/WJ0123456v/（m/s）00.410.550.710.820.911.00W/WJ0123456v平方00.170.300.500.670.831.00W/WJ0123456v三次方00.070.130.360.550.751.00W/WJ0123456V1/2次方00.640.740.840.910.951.00W/WJ0123456 示例二倍數(shù)關(guān)系示例二倍數(shù)關(guān)系次數(shù)123456W/×WJ123456X/×10-2m4.115.537. 078.209.109.98速度的一次方v/vv（X2/X1）v（X3/X1）v（X4/X1）v（X5/X1）v（X6/X1）v倍數(shù)1.001.351.721.992.212.42速度的二次方v2/ v2v2（X2/X1）2v2（X3/X1）2 v2 （X4/X1）2 v2（X5/X1）2 v2（X6/X1）2 v2倍數(shù)1.001.822.963.964.885.86速度的三次方v3/v3v3（X2/X1）3v3（X3/X1）3v3（X4/X1）3 v3（X5/X1）3 v3（X6/X1）3 v3倍數(shù)1.002.465.087.8810.7914.17速度的1/2次方v1/2/ v1/2v1/2（X2/X1）1/2v1/2（X3/X1）1/2v1/2（X4/X1）1/2v1/2（X5/X1）1/2v1/2 （X6/X1）1/2v1/2倍數(shù)1.001.161.311.411.491.56分析得：只有速度的平方具有倍數(shù)關(guān)系。示例二倍數(shù)關(guān)系次數(shù)123456W/×WJ123456v2/×v2倍數(shù)1.001.822.963.964.885.86結(jié)論：功與速度的平方成正比。（本實驗為便于探究，設(shè)初速度為零。）結(jié)論推廣：初速度不為零時，功與速度平方的變化量成正比。課堂練習1、本課實驗應用倍增思想得到了橡皮筋對小車做的變力功與速度的平方成正比。這使我們想到：恒力對物體做的恒力功與速度的平方成正比，你如何應用倍增思想設(shè)計一個實驗加以驗證？課堂總結(jié)（1）本實驗用倍增思想設(shè)計，探究變力做功與速度的相關(guān)量的變化之間的關(guān)系。體現(xiàn)了探究過程采用的物理方法倍增方法，用這種方法設(shè)計實驗是非常精妙的。（2）但本實驗中，還需要用到紙帶的分析、速度的測量、力的平衡等相關(guān)的知識與技能。（3）實驗探究能更強烈地激發(fā)學生的學習興趣，體會學習的快樂；并通過親身實踐，樹立起“實踐是檢驗真理的唯一標準”的科學理念。（4）本課的主線，是分析論證實驗預案、確定完善課本方案并在實驗操作中改進實驗、對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理得出結(jié)論。