2022年高中物理《實驗：探究功與速度變化的關(guān)系》教案 新人教版必修2

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1、2022年高中物理《實驗：探究功與速度變化的關(guān)系》教案 新人教版必修2 各種力做功都與其對應(yīng)的某種能量有關(guān)系,研究出它們的關(guān)系,就能確立相應(yīng)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密切相關(guān),而物體速度的變化與它受的力有關(guān),當(dāng)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密切的關(guān)系.本節(jié)課就是探究功與速度變化的關(guān)系,為下一節(jié)動能的學(xué)習(xí)作準(zhǔn)備. 本節(jié)是一節(jié)探究實驗課.在進行實驗探索、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

2、證明這些數(shù)據(jù)是可靠的.在進行實驗時,操作應(yīng)規(guī)范;在收集數(shù)據(jù)時,應(yīng)實事求是,堅持嚴(yán)謹(jǐn)認真的科學(xué)態(tài)度.對實驗所得到的結(jié)論要會判斷是否科學(xué),判斷的標(biāo)準(zhǔn)就是看其是否具有重復(fù)性,即不論由哪位同學(xué)來做這個實驗,也不論做幾次,在允許的誤差范圍內(nèi)結(jié)果都應(yīng)該是相同的. 過去我們強調(diào)的實驗,主要所指為操作技能,現(xiàn)在強調(diào)的實驗,除了操作技能外,希望學(xué)生更加重視實驗中的科學(xué)思想與技能的學(xué)習(xí).比如在探究功與速度變化的關(guān)系時,并不需要計算功的具體數(shù)值,原因是什么?在探究之前,要重點掌握本實驗中的探究方法.另外用圖象處理數(shù)據(jù)比較形象、直觀,而且誤差也小,所以這種方法必須能夠熟練應(yīng)用. 教學(xué)重點 學(xué)習(xí)探

3、究功與速度變化關(guān)系的物理方法,并會利用圖象法處理數(shù)據(jù). 教學(xué)難點 1.實驗數(shù)據(jù)的處理方法——圖象法. 2.實驗過程中的規(guī)范操作. 課時安排 1課時 三維目標(biāo) 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(xué)習(xí)利用物理圖象探究功與物體速度變化的關(guān)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(guān)系，體驗探究過程和物理學(xué)的研究方法. 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.通過實驗探究，體會學(xué)習(xí)的快樂，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣；通過親身實踐，樹立“實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”

4、的科學(xué)觀. 課前準(zhǔn)備 小車(前面帶小鉤),長木板(兩側(cè)適當(dāng)?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(xué)過程 導(dǎo)入新課 情景導(dǎo)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,汽車在阻力作用下逐漸停下來. 以上兩種情境有何共同特點? 復(fù)習(xí)導(dǎo)入 復(fù)習(xí)舊知：1.重力做功與重力勢能:重力做功與路徑無關(guān).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.

5、 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.彈性勢能的改變與彈力做功有關(guān)：W彈=-ΔEp= 力對物體做功與動能肯定有關(guān)系,而動能與速度直接對應(yīng),本節(jié)課我們來探究功與速度變化的關(guān)系. 問題導(dǎo)入 “在很早的時候人們就認識到,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

6、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.這說明了什么物理問題. 推進新課 一、探究的思路 問題探究 1.閱讀課文,說出該探究實驗的目的、實驗所需要的器材及實驗的設(shè)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,你有何認識?怎樣選擇橡皮筋才盡可能減小誤差? 3.實驗時為何要平衡摩擦力?如何平衡? 4.實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(xué)習(xí)方式特別強調(diào)問題在學(xué)習(xí)過程中的重要性.強調(diào)通過問題來進行學(xué)習(xí),把問題看作是學(xué)習(xí)的動力、起點和貫穿于學(xué)習(xí)過程的主

7、線.上述一連串的問題由易到難,由簡到繁,由小到大,層層推進,通過問題的設(shè)置,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會思考分析,學(xué)會發(fā)現(xiàn)問題、解決問題. 學(xué)生活動:帶著問題閱讀課文,思考、交流、解決問題,學(xué)生代表發(fā)言. 師生互動:學(xué)生代表在回答問題過程中,教師給予評價、引導(dǎo),使問題的答案準(zhǔn)確、規(guī)范. 實驗探究 實驗?zāi)康模? (1)通過實驗探究力對物體做的功與物體速度變化的關(guān)系. (2)體會探究的過程和所用的方法. 實驗器材: 木板、小車、橡皮筋、打點計時器及電源、紙帶等. 設(shè)計思路:如圖所示 (1)設(shè)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

8、、v2、v3…… (3)以橡皮筋對小車做的功為縱坐標(biāo)(以第一次實驗時的功W為單位),小車獲得的速度為橫坐標(biāo),作出W-v曲線. (4)如果W-v曲線是一條直線,表明W∝v;如果不是直線,可著手考慮是否存在下列關(guān)系:W∝v2、W∝v3、W∝…… (5)根據(jù)Wv草圖,大致判斷兩個量可能是什么關(guān)系.如果認為很可能是W∝v2,就做出Wv2曲線,如果這條曲線是一條直線,就可以證明你的判斷是正確的. 注意事項： 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(guān)系就是做功多少的關(guān)系,因此,可以不需求出變力功的大小,就知道功的關(guān)系. 2.

9、市售的橡皮筋粗細不一,一致性差,彈力偏大.不同的橡皮筋之間的彈力差異也較大,不能滿足本實驗的要求.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,要仔細地剪成單股. 3.實驗中的小車不可避免地要受摩擦力的作用,我們研究拉力對小車做功和速度的關(guān)系,應(yīng)排除其他力的影響.可將木板的一端稍墊高,輕推小車,觀察小車是否做勻速運動,使重力的分力與摩擦力相平衡,消除摩擦力的影響. 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. 由于實驗器材和每次操作過程

10、的分散性,尤其是橡皮筋不可能做到各條之間的長度、粗細完全一致,使得每次改變橡皮筋的條數(shù)以后,紙帶上反映小車勻速運動階段的點數(shù),和這些點的位置不一定出現(xiàn)在事先設(shè)定的B點,可能在B點前后.這是因為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 教師活動：利用多媒體展示問題,讓學(xué)生思考、回答. 問題：1.設(shè)想若不平衡摩擦,紙帶上的點會是什么樣的?平衡摩擦之后,做該實驗紙帶上的點又是什么樣的

11、? 2.紙帶上的點距并不都是均勻的,應(yīng)該選用哪些點距來確定小車的速度?為什么? 3.在改變橡皮筋的條數(shù)后,為什么要把小車?yán)较嗤奈恢冕尫?不這樣做會出現(xiàn)什么現(xiàn)象? 學(xué)生活動:分組討論. 師生互動:學(xué)生發(fā)言,教師點評、總結(jié). 明確:1.若不平衡摩擦,小車在開始時受橡皮筋的拈力和摩擦力.拉力逐漸變小,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,合力開始做負功,做加速度越來越大的減速運動,當(dāng)橡皮筋恢復(fù)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,小車開始做加速度

12、越來越小的加速運動,橡皮筋恢復(fù)原長后做勻速直線運動,故點跡是開始密,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,橡皮筋還在繼續(xù)對小車做功,恢復(fù)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.每次必須拉至相同位置,目的是保證每次實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(yán)格拉至同一位置

13、,就不滿足上述情況,造成較大誤差. 三、數(shù)據(jù)的處理 教師活動：提出問題,讓學(xué)生思考,回答. 問題：1.對于實驗所得到的數(shù)據(jù),我們?nèi)绾翁幚? 2.描繪圖象時我們應(yīng)注意哪些問題? 學(xué)生分析、思考、回答: 師生互動:學(xué)生回答,教師點評,引導(dǎo). 明確:1.將得到的一組(W,v)值描點于W-v坐標(biāo)平面內(nèi),從點的分布情況來大致判斷應(yīng)該是什么樣的曲線,然后分別試探畫出W與v、W與v2、W與v3、W與之間的圖象.因為直線關(guān)系最容易判斷兩個物理量的關(guān)系,所以通過試探,找出哪一組是正比關(guān)系,最后確定功與速度的最終關(guān)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

14、標(biāo)系中描繪出W、v的各對應(yīng)點后,既要觀察各點的位置關(guān)系,又要思考這些點之間應(yīng)有的函數(shù)關(guān)系.由于實驗誤差,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.一般呈直線分布的原因是由于橡皮筋的拉力較大,小車的速度比較大,加之實驗次數(shù)少,所取的點數(shù)也少,使W、v各對應(yīng)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(zhì)量,使小車速度不致過快;另外在畫圖時加大縱坐標(biāo)的單位長度.從原點O開始描繪圖線也可以避免畫成直線. 畫圖線時應(yīng)畫成平滑的曲線,不能連成折線;在畫直線時應(yīng)盡可能使點落在直線上,不能落在直線上的點應(yīng)均勻分布在直線的兩側(cè),如圖甲、乙所示. 教師活動:要求學(xué)生根據(jù)實驗的

15、設(shè)計思路,歸納進行實驗的步驟. 分小組進行實驗,教師觀看學(xué)生實驗,及時給予幫助或引導(dǎo). 學(xué)生活動:歸納實驗步驟,按步驟進行實驗. 問題探究 問題:研究汽車的制動距離與車速的關(guān)系 導(dǎo)思：汽車的制動性能，是衡量汽車性能的重要指標(biāo).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逐漸停止運動.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/m 10 1 20 4 40 16 60 ？ 可以根據(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

16、做同樣的測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)制動距離加長了.試分析原因. 3.設(shè)汽車在以60 km/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(guān)系，從而求出當(dāng)汽車速率為60 km/h時的制動距離. 探究：以汽車為研究對象.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(shè)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.

17、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(dāng)公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(yán)重性跟碰撞前車輛的動能大小有關(guān)，而車輛的動能則取決于車輛的質(zhì)量和速度的平方.因此在公路上，尤其是在高速公路上，都有限制車速的標(biāo)志.貨車、客車的質(zhì)量較大，對它們速度大小的限制值要比轎車小一些.如高速公路對中、重型車輛和客車的車速限制一般是100 km/h，對轎車一般是120 km/h. 有的汽車（如城市中的雙層客車）在設(shè)計時廠家就把車速限制在70 km/h；當(dāng)汽車速度高于70 km/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70 k

18、m/h，才會恢復(fù)供油. 例 關(guān)于探究功與物體速度變化的關(guān)系實驗中,下列敘述正確的是（ ） A.每次實驗必須設(shè)法算出橡皮筋對小車做功的具體數(shù)值 B.每次實驗中,橡皮筋拉伸的長度沒有必要保持一致 C.放小車的長木板應(yīng)該盡量使其水平 D.先接通電源,再讓小車在橡皮筋的作用下彈出 解析：本實驗沒有必要測出橡皮筋做的功到底是多少焦耳,只要測出以后各次實驗時橡皮筋做的功是第一次實驗時的多少倍就已經(jīng)足夠了,A錯.每次實驗橡皮筋拉伸的長度必須保持一致,只有這樣才能保證以后各次實驗時,橡皮筋做的功是第一次實驗時的整數(shù)倍,B錯.小車運動中會受到阻力,只有使木板傾斜到一定程度,才能減小誤差,C

19、錯.實驗時,應(yīng)該先接通電源,讓打點計時器開始工作,然后再讓小車在橡皮筋的作用下彈出,D正確. 答案：D 點評：做實驗前,要先了解探究的內(nèi)容、思路、方法,才能對實驗中存在的問題進行正確處理. 例2 某同學(xué)在探究功與物體速度變化的關(guān)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(guān)系. W 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 v/(m·s-1) 0.00 0.80 1.10 1.28 1.53 1.76 1.89 v2 0.00 0.64 1.21 1.64 2.34 3.10 3.5

20、7 解析：以W為縱坐標(biāo),v為橫坐標(biāo),作出W-v曲線.以W為縱坐標(biāo),v2為橫坐標(biāo),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(guān)系,很直觀,也很清晰. [=LT1(3[=某同學(xué)在探究功與物體速度變化的關(guān)系實驗中，設(shè)計了如圖564所示的實驗.將紙帶固定在重物上，讓紙帶穿過電火花計時器或打點計時器.先用手提著紙帶，使重物靜止在靠近計時器的地方.然后接通電源，松開紙帶，讓重物自由下落，計時器就在紙帶上打下一系列小點.得到的紙帶如圖5-6-5所示，O點為計時器打下的第1個點.該同學(xué)對數(shù)據(jù)進行了下列處理:取OA=AB=BC，并根據(jù)紙帶算出了A、B、C三點的速度

21、分別為vA=0.12 m/s，vB=0.17 m/s，vC=0.21m/s. 根據(jù)以上數(shù)據(jù)你能否大致判斷W∝v2? 解答：設(shè)由O到A的過程中，重力對重物所做的功為W，那么由O到B過程中，重力對重物所做的功為2W，由O到C的過程中，重力對重物所做的功為3W. 由計算可知，=1.44×10-2 m2/s2，=2.89×10-2m2/s2，=4.41×10-2 m2/s2，≈2，≈3，即≈2，≈3.由以上數(shù)據(jù)可以判定W∝v2是正確的.也可以根據(jù)W-v2的曲線來判斷. 課堂訓(xùn)練 1.本節(jié)是一個探究性實驗,探究的目的是（ ） A.探究力與物體運動速度的關(guān)系 B.探究

22、力與物體運動加速度的關(guān)系 C.探究力對物體做的功與物體加速度變化的關(guān)系 D.探究力對物體做的功與物體速度變化的關(guān)系 答案：D 2.對于橡皮筋做的功來說,直接測量是有困難的.我們可以巧妙地避開這個難題而不影響問題的解決,只需要測出每次實驗時橡皮筋對小車做的功是第一次實驗的多少倍，使用的方法是（ ） A.用同樣的力對小車做功，讓小車通過的距離依次為l、2l、3l……進行第1次、第2次、第3次……實驗時,力對小車做的功就是W、2W、3W、…… B.讓小車通過相同的距離，第1次力為F，第2次力為2F、第3次力為3F……實驗時，力對小車做的功就是W、2W、3W…… C.選用同樣的橡皮

23、筋，在實驗中每次橡皮筋拉伸的長度保持一致，當(dāng)用1條、2條、3條……同樣的橡皮筋進行第1次、第2次、第3次……實驗時，橡皮筋對小車做的功就是W、2W、3W…… D.利用彈簧測力計測量對小車的拉力F，利用直尺測量小車在力作用下移動的距離l，便可以求出每次實驗中力對小車做的功，可控制為W、2W、3W…… 答案：C 3.在本實驗中，小車在運動中會受到阻力作用,在小車沿木板滑行的過程中，除橡皮筋對其做功以外，還有阻力做功，這樣便會給實驗帶來誤差，我們在實驗中想到的辦法是使木板略微傾斜.對于木板的傾斜程度，下面說法中正確的是（ ） A.木板只要稍微傾斜一下即可，沒有什么嚴(yán)格的要求 B.木板

24、的傾斜角度在理論上應(yīng)滿足下面條件，即重力使物體沿斜面下滑的分力應(yīng)等于小車受到的阻力 C.如果小車在滑行的木板上能做勻速運動，則木板的傾斜程度是符合要求的 D.其實木板不傾斜，問題也不大，因為實驗總是存在誤差的 答案：BC 4.在探究功與物體速度變化的關(guān)系實驗中作出Wv圖象如圖所示,符合實際的是（ ） 答案：C 5.在探究功與物體速度變化關(guān)系的實驗中，某同學(xué)在一次實驗中得到了一條如圖所示的紙帶,這條紙帶上的點兩端較密，中間稀疏.出現(xiàn)這種情況的原因可能是( ) A.電源的頻率不穩(wěn)定 B.木板傾斜程度太大 C.沒有使木板傾斜或

25、傾斜角太小 D.小車受到的阻力較大 答案：CD 課堂小結(jié) 通過本節(jié)探究實驗,我們學(xué)會了一種巧妙的方法:橡皮筋的彈力做功不便于用公式來計算,然而改變橡皮筋的條數(shù),保持小車相同的運動距離,則彈力功的大小與橡皮筋的條數(shù)成正比. 實驗過程影響實驗結(jié)果的原因主要是平衡摩擦是否恰當(dāng).輕推小車,恰好做勻速直線運動才可以. 通過對數(shù)據(jù)的處理得知W∝v2. 布置作業(yè) 1.閱讀教材中“做一做”,有條件的同學(xué)可以在自家電腦上練習(xí). 2.嘗試改進實驗裝置,說出你的實驗原理. 板書設(shè)計 6 實驗:探究功與速度變化的關(guān)系 一、實驗?zāi)康?探究功與速度變化的關(guān)

26、系 二、實驗原理:橡皮筋拉小車做功,可用橡皮筋的條數(shù)來確定,小車獲得的速度由打點計時器測出. 三、操作步驟:(略) 四、注意事項:平衡摩擦力 五、W∝v2. 活動與探究 課題：人騎自行車在平直的路面上運動,當(dāng)人停止蹬車后,車仍能繼續(xù)向前運動.探究外力對車做的功與車速度的關(guān)系. 探究方法：運動過程中受到的阻力可認為大小不變. 步驟： 1.使自行車獲得某一速度后，停止蹬車，讓自行車沿著平直路面前進，用停表測出自行車從停止蹬車到停止運動所用的時間t，用皮尺測出自行車停止蹬車后運動的距離s. 2.設(shè)自行車無動力后受到的阻力為f，則這一過程阻力所做的功Wf=fs，自行車的初速度v0=2=2s/t. 3.重復(fù)實驗步驟1可以得到多組t和s的值. 4.通過作Wv圖象或者計算的方法可以得到Wv的關(guān)系. 設(shè)計點評 物理學(xué)是以觀察和實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科,本節(jié)就是一節(jié)探究實驗課.為了能使學(xué)生在自己動手實驗前能夠明白實驗的目的、設(shè)計思路及實驗時應(yīng)注意的事項,本教學(xué)設(shè)計采用了問題探究式教學(xué).由教師提出一串問題,學(xué)生分組討論、思考、解答,使學(xué)生在交流和討論中,借助集體的智慧提高了自身的素質(zhì).問題由淺及深,層層推進,雖有一定的難度,但學(xué)生稍加思考就能解決,在解決問題的過程中學(xué)生就會產(chǎn)生自信心,樂于學(xué)習(xí).