6.2数学建模——从自然走向理性之路教案-2023-2024学年高一下学期数学湘教版（2019）必修第二册

《数学建模——从自然走向理性之路》教案 课题 6.2数学建模——从自然走向理性之路 单元 第六单元 学科 数学 年级 高一 教学目标与核心素养 1.数学抽象：利用具体事件理解数学建模的过程； 2.逻辑推理：通过课堂探究逐步培养学生的逻辑思维能力. 3.数学建模：掌握数学建模的相关知识，为数学建模的学习打好基础的同时，也能学习利用数学建模解决实际问题。 4.直观想象：了解数学建模案例的过程； 5.数学运算:能够正确计算数学建模； 6.数据分析:通过经历提出问题—推导过程—得出结论—例题讲解—练习巩固的过程，让学生认识到数学知识的逻辑性和严密性。 重点 难点 重点：问题描述；模型假设；模型建立；模型求解；模型分析与检验；推广应用。 难点：问题描述；模型假设；模型建立；模型求解；模型分析与检验；推广应用。 教学过程 教学环节 教师活动 新课导入 情境导入： 16世纪，意大利物理学家伽利略通过对自由落体运动的研究，得出自由落体云动的路程模型。自由落体运动方程是自然科学史上一项伟大的成果，该运动方程的得到是数学建模方法的经典之作。 下面我们以自由落体运动方程为例，说明数学建模的过程。 新知探究 新知探究（一）：问题描述 位于高处的物体，如果失去了支撑就会下落，这是每个人都知道的自然现象。战国时期的景子以及古希腊哲人亚里士多德就对该现象产生的原因进行过论述，不过古代的人们并不清楚这种现象是力作用的结果，因而普遍认为，导致物体下落的原因是物体的质量。 新知探究（二）：模型假设 伽利略通过反复观察发现： 物体下落的速度随下落的时间而均匀增加，且速度与时间成正比例关系，即。他注意到，在有介质的空间，物体下落速度必然与物体的形状以及物体的质量有关。因此只能在理想条件下构建物体下落的模型，为此，必须假定在物体下落的过程中空气阻力可以忽略不计。在此假设的前提下，物体下落的速度与物体的形状以及物体的质量无关。 新知探究（三）：模型建立 基于上述假设，如果物体自由下落的时间相同，物体自由下落的高度h只与运动时间t以及加速度g有关，此时，h是关于t与g的函数 h=f(t,g) 新知探究（四）：模型求解 根据伽利略关于速度与时间成正比例关系，即的假设，若物体下落1s时的速度为g m/s,则下落2s时的速度为2g m/s, ..下落t s时的速度为tg m/s。伽利略当年利用物体下落t s路程的平均速度v=乘以时间(根据路程=速度×时间)，得到自由落体运动的路程模型为 上述模型的结果是正确的，但是，它是在取起点与终点的平均速度的情况下得到的，方法欠直观，同时结论也仅对匀加速运动成立(恰好自由落体运动为勾加速运动)。 下面我们对上述路程模型给出一个直观的近似证明。 我们从的假设出发，简要说明上述模型的正确性。 由假设,即自由落体运动为匀加速运动，v-t图象为图中倾斜的直线。将图所示的自由落体运动经历的时间t等分，得到一系列相同的时间间隔△t。由于△t很小时，物体速度变化很小，该时间间隔内运动可以看成匀速。 因此，根据伽利略的假设，物体每经过一个时间间隔△t后， 在接下来的时间间隔△t内，物体下降速度会增加，增加的值近似等于g△t, 它对应于图中小矩形的面积，物体在时间t内总的下落高度近似等于所有矩形面积之和。当时间间隔△t趋于0时，图中阶梯形矩形面积就等于倾斜直线、t轴以及时间t对应直线所围成的三角形面积，即. 新知探究（五）：模型分析与检验 伽利略做了一系列的实验来检验模型的正确性，他的实验是在斜面上进行的。伽利略通过大量的实验验证了这样一个事实：同样的高度、同样的重物沿垂面下落和斜面下落，下落的时间之比等于垂直长度和斜面长度之比。这个事实说明：可以利用斜面进行自由落体的实验。于是伽利略用一块足够长的木板，在中间凿出一条光滑沟槽，让光滑的黄铜球沿着沟槽滚下，如图所示。 他实验了不同的倾斜角度，又实验了不同长度的木板，先后一百多次的实验结果均显示，黄铜球下落的距离与下落时间的平方之比近似为一个正常数，进而验证了模型的正确性。 新知探究（六）：应用推广 伽利略用斜面实验验证了模型的正确性后，将斜面实验的结果推广到与水平面垂直的情况：随着斜面倾斜角度逐渐增加到90°，小球的加速度不断变大，小球逐步过渡到自由落体运动，如图。至此，他成功地验证了原先的猜想，得到了自由落体运动的规律。 根据自由落体运动方程建立过程，我们可以用下图所示的框图来表示数学建模的基本过程。 数学建模作为连接数学与实际问题的桥梁，建立既符合实际，又能够利用观有方法求解的合理数学模型就成为解决实际问题的关键步骤之一。需要说