【同步備課】2020年高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)人教版必修2-7.6-實(shí)驗(yàn)：控究功與物體速度變化的關(guān)系

§7.6試驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系【教學(xué)目標(biāo)】1、學(xué)問(wèn)與技能（1）會(huì)用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打下的紙帶計(jì)算物體運(yùn)動(dòng)的速度；（2）學(xué)習(xí)利用物理圖像探究功與物體速度變化的關(guān)系。【教學(xué)重點(diǎn)】學(xué)習(xí)探究功與物體速度變化的關(guān)系的物理方法――倍增法，并會(huì)利用圖像法處理數(shù)據(jù)?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法――圖像法【教學(xué)課時(shí)】1課時(shí)【探究學(xué)習(xí)】閱讀教材，提出方法（1）試驗(yàn)裝置：見(jiàn)右圖。配套器材：課本方案裝置（2）試驗(yàn)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)思極為奇妙。歷史上，庫(kù)侖應(yīng)用類似的方法發(fā)覺(jué)了有名的庫(kù)侖定律。當(dāng)然，恒力做功時(shí)，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。同學(xué)思考，提出預(yù)案（1）同學(xué)提出多種設(shè)計(jì)預(yù)案，在課上呈現(xiàn)設(shè)計(jì)的思路和方法：課本方案、氣墊導(dǎo)軌加數(shù)字毫秒計(jì)方案、鐵架臺(tái)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器自由落體方案等。（2）老師針對(duì)各種設(shè)計(jì)預(yù)案，進(jìn)行分析：主要從合理性、科學(xué)性、可行性等方面進(jìn)行分析，略。師生研討，初定方案1、制定基本的試驗(yàn)方案：（師生互動(dòng)）互動(dòng)以下面幾個(gè)問(wèn)題為中心開(kāi)放：（1）探究中，我們是否需要橡皮筋做功的具體數(shù)值？不需要。由于試驗(yàn)是以倍增的思想方法設(shè)計(jì)，若橡皮筋第一次做功為W，則橡皮筋其次次做功為2W，…、橡皮筋第n次做功為nW。且試驗(yàn)奇妙地將倍增的物理方法應(yīng)用于變力做功。（2\o"中國(guó)訓(xùn)練出版網(wǎng)\""）為了達(dá)到各次試驗(yàn)中橡皮筋做的功成倍增加，即實(shí)現(xiàn)倍增，對(duì)各次試驗(yàn)中橡皮筋的伸長(zhǎng)量有什么要求？你想出了什么方法？各次試驗(yàn)中橡皮筋的伸長(zhǎng)量必需相同。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(yùn)動(dòng)起點(diǎn)。具體方法是：以第一次試驗(yàn)時(shí)小車前（或后）端的位置為基準(zhǔn)，垂直運(yùn)動(dòng)方向在木板上作出一條水平線。以后轉(zhuǎn)變橡皮筋的條數(shù)時(shí)，小車前（或后）端仍以此位置為基準(zhǔn)（均從靜止）運(yùn)動(dòng)。（3）小車獲得的速度怎樣計(jì)算？小車在橡皮筋作用結(jié)束后，做勻速運(yùn)動(dòng)。找出紙帶中點(diǎn)距相等的一段。求出點(diǎn)距相等一段的平均速度，即為小車勻速運(yùn)動(dòng)的速度，即小車加速后獲得的速度。（4）是否肯定需要測(cè)出每次加速后小車速度的數(shù)值？可以怎樣做？不肯定需要。（當(dāng)然，也可以測(cè)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、其次次、…、第n次試驗(yàn)中的速度為：若令則即小車在其次次以后試驗(yàn)中獲得的速度可以用第一次試驗(yàn)中獲得的速度的倍數(shù)來(lái)表示。（5）試驗(yàn)完畢后，用什么方法分析橡皮筋對(duì)小車做的功與小車速度的關(guān)系？圖像法。（6）如何在坐標(biāo)紙上建立兩軸物理量？如何確定適當(dāng)?shù)臉?biāo)度？縱坐標(biāo)表示橡皮筋對(duì)小車做的功，橫坐標(biāo)表示小車獲得的速度。以第一次試驗(yàn)時(shí)的功W為縱軸的單位長(zhǎng)度（必需用），可以用第一次試驗(yàn)時(shí)的速度v為橫軸的單位長(zhǎng)度（也可以依據(jù)各次試驗(yàn)中的最大速度值、坐標(biāo)紙的最大格數(shù)來(lái)確定），作出W-v曲線，即功－速度曲線。2、確立基本的試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)初步的試驗(yàn)步驟：A.先將木板置于水平桌面，然后在釘有鋼釘?shù)拈L(zhǎng)木板上，放好試驗(yàn)小車。B.把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在木板的一端，將紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，紙帶一端夾緊在小車的后端，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接電源。C.過(guò)兩釘中垂線上的適當(dāng)位置作兩釘?shù)钠叫芯€，交中垂線于O點(diǎn)，作為小車每次運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)。D.使用一根橡皮筋時(shí)，將小車的前端拉到O點(diǎn)，接通電源，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)，釋放小車，小車離開(kāi)木板前適時(shí)使小車制動(dòng)，斷開(kāi)電源，取下紙帶。重復(fù)本項(xiàng)前面的過(guò)程，選出點(diǎn)跡清楚的紙帶。（求出小車獲得的速度。暫不求）E.換用同樣材料、粗細(xì)、長(zhǎng)度的兩根、三根、…六根橡皮筋，依照D項(xiàng)的方法，分別進(jìn)行試驗(yàn)。（得出各次試驗(yàn)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(zhǎng)度），以速度為橫軸（第一次小車的速度為橫軸的單位長(zhǎng)度），建立坐標(biāo)系，用描點(diǎn)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。同學(xué)試驗(yàn)，老師指導(dǎo)1、同學(xué)按確定方案開(kāi)頭初步試驗(yàn)。（首先完成試驗(yàn)操作方案的前四步）2、老師適時(shí)提出問(wèn)題，指導(dǎo)同學(xué)操作的技巧，針對(duì)問(wèn)題，完善試驗(yàn)操作。（1）小車運(yùn)動(dòng)中會(huì)受到阻力，可以接受什么方法進(jìn)行補(bǔ)償？可以接受平衡摩擦力的方法。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(yùn)動(dòng)，觀看紙帶的點(diǎn)距。調(diào)整木板的傾角，觀看紙帶的點(diǎn)距，直到點(diǎn)距相等，表明恰平衡摩擦力（若用氣墊導(dǎo)軌，調(diào)整導(dǎo)軌的傾角，若擋光條遮光的時(shí)間通過(guò)數(shù)字毫秒計(jì)顯示時(shí)間相等，即恰平衡摩擦力）。（2）觀看打點(diǎn)的紙帶，點(diǎn)距是如何變化的？點(diǎn)距是否均勻？問(wèn)題出在哪里？若恰能平衡摩擦力，試分析小車會(huì)做何種運(yùn)動(dòng)？\o"中國(guó)訓(xùn)練出版網(wǎng)\""應(yīng)當(dāng)接受哪些點(diǎn)距來(lái)計(jì)算小車的速度？先增大，后減小。不均勻（不是勻加速）。沒(méi)有平衡摩擦力。就要用到補(bǔ)償法。先加速（但非勻加），后勻速。應(yīng)接受小車做勻速運(yùn)動(dòng)那一段的點(diǎn)距來(lái)計(jì)算速度。由于勻速的速度就是橡皮條對(duì)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(yùn)動(dòng)，最終速度不能用勻變速運(yùn)動(dòng)紙帶的處理方法得到，但可以用勻速運(yùn)動(dòng)紙帶的處理方法得到。（3）使木板略微傾斜，調(diào)整木板的傾角，經(jīng)檢驗(yàn)恰好平衡摩擦力。可以做一系列地平行線，選適當(dāng)?shù)奈恢米鳛锳，重新標(biāo)出小車運(yùn)動(dòng)的初始位置A。（體現(xiàn)完善試驗(yàn)的過(guò)程）（4）確立可操作試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)合理的試驗(yàn)步驟：A.先將木板置于水平桌面，然后在\o"中國(guó)訓(xùn)練出版網(wǎng)\""釘有鋼釘?shù)拈L(zhǎng)木板上，放好試驗(yàn)小車。B.把打點(diǎn)計(jì)時(shí)器固定在木板的一端，將紙帶穿過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的限位孔，紙帶一端夾緊在小車的后端，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器接電源。C.使木板略微傾斜，調(diào)整木板的傾角，測(cè)量紙帶點(diǎn)距直到相等，表明恰好平衡摩擦力。D.過(guò)兩釘中垂線上的適當(dāng)位置作兩釘?shù)钠叫芯€，交中垂線于A點(diǎn)，作為小車每次運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)。E.使用一根橡皮筋時(shí)，將小車的前（或后）端拉到A點(diǎn)，接通電源，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打點(diǎn)，釋放小車，小車離開(kāi)木板前適時(shí)使小車制動(dòng)，斷開(kāi)電源，取下紙帶。重復(fù)本項(xiàng)前面的過(guò)程，選出清楚的紙帶。登記點(diǎn)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(xì)、長(zhǎng)度的兩根、三根、…六根橡皮筋，依照D項(xiàng)的方法，分別進(jìn)行試驗(yàn)。登記各次試驗(yàn)中點(diǎn)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(zhǎng)度），以速度為橫軸（可以用適當(dāng)?shù)乃俣戎禐閱挝婚L(zhǎng)度，也可以用第一次小車的速度為橫軸的單位長(zhǎng)度），建立坐標(biāo)系，用描點(diǎn)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 采集橡皮條分別為一根、兩根……、六根時(shí)的數(shù)據(jù)（勻速運(yùn)動(dòng)階段，例如在0.1s內(nèi)的位移），記在自己設(shè)計(jì)的表格中。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)\o"中國(guó)訓(xùn)練出版網(wǎng)\""據(jù)，利用數(shù)表軟件進(jìn)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.\o"中國(guó)訓(xùn)練出版網(wǎng)\""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）2v2（X4/X1）2v2（X5/X1）2v2（X6/X1）2v2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）3v3（X5/X1）3v3（X6/X1）3v3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）1/2v\o"中國(guó)訓(xùn)練出版網(wǎng)\""1/2（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。（本試驗(yàn)為便于探究，設(shè)初速度為零。）結(jié)論推廣：初速度不為零時(shí)，功與速度平方的變化量成正比。課堂練習(xí)1、本課試驗(yàn)應(yīng)用倍增思想得到了橡皮筋對(duì)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(duì)物體做的恒力功與速度的平方成正比，你如何應(yīng)用倍增思想設(shè)計(jì)一個(gè)試驗(yàn)加以驗(yàn)證？課堂總結(jié)（1）本試驗(yàn)用倍增思想設(shè)計(jì)，探究變