2.1 实验：探究小车速度随时间变化的规律 教学设计-2024-2025学年高一上学期物理人教版（2019）必修第一册

配套中学部编版 实验：探究小车速度随时间变化的规律 一、教材分析 地位与作用：本节内容是高中物理必修第一册第二章的开篇实验，是在学生学习了运动的描述的基础上，进一步通过实验探究来研究物体速度随时间变化的规律，为后续学习匀变速直线运动的规律、加速度概念以及牛顿第二定律内容奠定了实验和理论基础。 实验原理与方法：教材详细介绍了利用打点计时器记录小车在重物牵引下的运动信息，通过纸带分析小车在不同时刻的位置，进而利用平均速度近似瞬时速度的方法求出各点的瞬时速度，最后运用表格法和图像法处理数据，得出小车速度随时间变化的规律。这种从实验获取数据到处理数据得出结论的过程，让学生体验科学探究的一般方法。 知识衔接：与第一章中运动的描述知识紧密相连，速度、位移、时间概念，以及打点计时器的使用方法，同时为后续学习匀变速直线运动的速度公式、位移公式内容做好铺垫，起到承上启下的作用。 二、教学目标 物理观念： 理解匀变速直线运动的概念，知道其速度随时间是均匀变化的。 掌握速度、时间、加速度物理量之间的关系，能够用 v-t 图像描述小车速度随时间的变化规律。 科学思维： 通过设计实验方案、选择实验器材、进行实验操作和数据处理过程，培养学生的科学探究能力和创新思维。 学会运用数学工具，平均速度公式、线性回归分析，处理和分析实验数据，发展逻辑推理和模型建构的能力。 科学探究： 经历提出问题、设计实验、收集证据、得出结论完整的科学探究过程，提高学生的实验设计能力和团队协作能力。 培养学生观察、测量、记录数据的能力，以及根据实验现象和数据进行分析、归纳、总结的能力。 科学态度与责任： 激发学生对物理现象的好奇心和探究欲，培养严谨的科学态度和实事求是的精神。 增强学生的社会责任感，理解科学技术与社会发展的关系，认识到物理实验在科学研究中的重要性。 三、教学重难点 教学重点： 实验原理与操作：让学生理解利用打点计时器测量小车速度的原理，掌握实验的操作步骤，包括打点计时器的安装、纸带的使用、小车的释放，确保实验的顺利进行。 数据处理与图像绘制：指导学生学会用平均速度法计算各点瞬时速度，掌握用表格法记录和整理数据，以及运用 v-t 图像直观展示小车速度的变化规律，从图像中获取有用信息。 教学难点： 瞬时速度的测量与计算：何准确地测量和计算纸带上各点的瞬时速度，尤其是对于一些间隔较小、点迹密集的纸带，需要学生理解并掌握用平均速度近似代替瞬时速度的方法及其误差分析。 数据处理与规律探究：学生在处理实验数据时，可能会遇到数据波动、误差较大问题，需要引导学生正确分析数据，运用合适的方法进行数据拟合和规律探究，线性回归分析，同时理解 v-t 图像的斜率和截距的物理意义，从而得出小车速度随时间变化的规律。 四、教学过程 引入新课 教师活动：展示一段汽车在公路上加速行驶的视频，提问学生：“汽车的速度是何随时间变化的呢？我们可以通过什么方法来研究这种变化规律呢？” 引导学生思考并回答，从而引出本节课的主题 —— 探究小车速度随时间变化的规律。 学生活动：观看视频，积极思考教师提出的问题，结合生活经验和已学知识，尝试回答问题，可以用速度计测量不同时刻的速度，或者通过观察汽车在相同时间间隔内行驶的距离变化来大致判断速度的变化。 进行新课 实验设计： 教师活动：根据实验目的，研究物体运动的特点、规律，引导学生从具体实例开始，提出问题：“何设计小车在重物下的运动实验？” 引导学生思考实验所需的器材和步骤，鼓励学生积极发言，分享自己的设计思路。 学生活动：学生分组讨论，思考实验过程并流利地口头阐述实验，包括设计思想、实施步骤和操作过程，需要长木板、小车、打点计时器、纸带、钩码、细绳器材，先安装好器材，再让小车在重物的牵引下运动，通过打点计时器在纸带上打出点迹来记录小车的运动信息。 实验操作： 教师活动：引导学生 “三思而后行”，注意实验逻辑性、合理性及其相关注意事项，确保实验准确进行。在学生进行实验时巡视全场，对出现的问题予以及时纠正，打点计时器的安装是否稳固、纸带是否穿过限位孔、小车是否能平稳运动，同时提醒学生注意安全，避免被运动的小车或钩码碰到。 学生活动：学生分组进行实验操作，按照自己设计的实验方案或教师的指导，熟练地摆好器材，进行合理、准确地操作，得到一条点迹清晰的纸带。在操作过程中，注意把实验过程和已学过的 “练习使用打点计时器” 相对比，及时提出问题，为什么要先接通电源再释放小车、纸带打完后为什么要及时关闭电源。 选择纸带并计算瞬时速度： 教师活动：让学生思考，面对打出的纸带何研究小车的运动，引导学生学会计算各点瞬时速度的方法和表格处理方法，舍掉开头过于密集的点，从清楚的点开始选取计数点，用求平均速度的方法来代替瞬时速度，即选择包括该点在内的一段位移，找出对应的时间，用位移除以时间作为该点的瞬时速度，并提醒学生测量各个计数点之间的距离应考虑估位、单位。 学生活动：学生根据教师的引导，选择合适的纸带，确定计数点，用刻度尺测量各计数点之间的距离，记录在表格中。然后用平均速度法计算各计数点的瞬时速度，并填入表格，有待观察。 猜想速度变化规律： 教师活动：鼓励学生大胆猜想小车运动速度随时间的变化规律，一一列举学生的各种想法，了解学生猜想的原因，进行总结与点评，纠正盲目的瞎想。 学生活动：学生根据自己计算出的瞬时速度数据，大胆猜想小车速度随时间的变化规律，速度与时间成正比、速度随时间均匀增加，并回答猜想原因，阐述猜想思路。 用图像处理数据： 教师活动：提出体现物理规律的两种方法：公式法和图象法，强调图象法的直观优越性，引导学生掌握绘制图象的一般方法：描点法，包括何根据实验数据和坐标纸大小确定标度，何准确描点，以及何用平滑的曲线进行连接，强调作图的精确性，培养严谨的科学态度。 学生活动：学生回答方法，并掌握图象法的直观优越性。然后根据实验数据和教师的指导，先确定标度，再准确描点，并用平滑的曲线进行连接，绘制出 v-t 图象。在绘制过程中，注意使图象尽量分布在坐标系平面的大部分面积，让尽可能多的点分布在线上，不在线上的点分布在两侧，离线较远的点删去，同时注意图象的美观性，使图象分布在坐标纸中央。 分析与讨论 教师活动：引导学生观察自己绘制的 v-t 图象，提问：“从图象中可以看出小车速度随时间是何变化的？”“图象的斜率表示什么物理意义？”“何根据图象求出小车的加速度？” 问题，组织学生进行小组讨论，鼓励学生积极发言，分享自己的观点和结论，然后对学生的回答进行总结和点评，引导学生得出正确的结论。 学生活动：学生认真观察自己绘制的 v-t 图象，结合教师提出的问题，进行小组讨论，分析图象的特点和物理意义，小车速度随时间均匀增加，图象的斜率表示加速度，然后每个小组推选一名代表发言，分享小组的讨论结果和结论，其他小组可以进行补充或质疑，共同探讨和交流。 课堂总结 教师活动：总结本节课的实验内容，包括实验目的、实验原理、实验步骤、数据处理方法、图象绘制方法以及实验结论，强调小车速度随时间变化的规律及其物理意义，匀变速直线运动的概念、速度与时间的关系，同时对学生的实验表现和数据处理能力给予肯定和鼓励，指出学生在实验过程中存在的问题和不足之处，提出改进的建议和方法。 学生活动：回顾本节课的实验过程和所学知识，加深理解，记录教师总结的重点内容和提出的建议，对自己在实验过程中的表现进行反思和总结，找出自己的优点和不足之处，以便在今后的学习中不断改进和提高。 五、板书设计 板块 内容 实验名称 探究小车速度随时间变化的规律 实验目的 通过实验测量和数据分析，探究小车速度随时间的变化规律，理解匀变速直线运动的特点。 实验器材 小车、打点计时器、纸带、刻度尺、钩码、细绳、附有滑轮的长木板。 实验原理 利用打点计时器在纸带上打出的点迹，测量相邻计数点间的距离和时间间隔，通过计算平均速度来近似得到瞬时速度，进而探究速度随时间的变化规律。  （为某段位移，为对应的时间间隔） 实验步骤 1. 安装实验装置：将长木板平放在实验桌上，把打点计时器固定在长木板没有滑轮的一端，连接好电路；用细绳拴住小车，细绳跨过滑轮，下边挂上适量钩码，把纸带穿过打点计时器，并固定在小车上面。 2. 启动小车并记录数据：把小车停在靠近打点计时器处，先接通电源，再释放小车，让小车拖着纸带运动，打点计时器在纸带上打下点迹，重复实验三次。 3. 测量纸带上各点间的距离：选取点迹清晰且排成直线的纸带，舍掉开头过于密集的点，每隔一定数量的计时点选取一个计数点，测量各计数点到起始点的距离34。 4. 计算小车速度并绘制速度 - 时间图像：用平均速度法计算各计数点的瞬时速度，建立坐标系，以时间为横轴，速度为纵轴，描点连线绘制图像。 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$