《实验：探究小车速度随时间变化的规律》课堂实录

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　　【摘要】实验探究是物理学科的核心素养之一，实验能力是物理科目高考要考查的五大能力之一。高中物理高考必考实验是分组实验，本实验又是高中阶段第一个实验，虽内容少，但课堂中渗透着科学探究思想、运用数学图像处理物理问题的思想，能培养学生尊重实验事实的科学态度与责任;最后用传感器的数字化实验，对应新课标“信息技术要进入物理课堂”的要求。本文就本节实验探究课以课堂实录的形式，向大家展示实验探究课的魅力。
　　【关键词】实验探究  科学素养  运用数学图像处理物理问题的能力  数字化实验
　　【中图分类号】G633.7   【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）21-0184-02
　　教学目标：
　　1.通过视频引入与复习，体会物理来源于生活，服务于生活的作用，熟练使用打点计时器，记录、研究物体的运动;
　　2.通过体验实验探究过程，认识科学探究的意义，体会用科学探究研究运动的方法，认识实验和数学工具在物理学发展中的重要作用，提升交流、合作能力，养成实事求是的科学态度和责任;
　　3.经历传感器探究运动规律的过程，体会科技的强大力量，体会生活、科技中的物理，培养把物理应用于生活的意识。
　　教学重难点：实验操作，获取和处理实验数据
　　活动一：引入与回顾思考
　　播放视频：摩托车、汽车、飞机比赛
　　教师：视频中，三者的速度都在变化。我们如何研究速度随时间的变化规律呢？这节课，我们将利用实验室的器材，借助打点计时器，研究“小车速度随时间变化的关系”。为顺利进行实验，先回顾几个问题（大屏幕依次展示复习的三个问题）：
　　1.使用打点计时器时，释放纸带与开启电源的先后顺序是什么？
　　设计意图：复习打点计时器的基本使用方法。
　　2.右图是实验中打出的一条纸带，如何选计时起点和计数点？相邻计数点间的时间间隔是多少？用哪一段位移测计数点3的速度？如何测位移？如何计算计数点3的速度？
　　学生1：舍去开始密集的部分，把某一个清晰的点作为计时起点。然后每5个点选一个计数点。（学生回答，屏幕展示。）
　　设计意图：
　　学生2：应该是计数点2、4之间的距离。
　　教师：你为什么选这一段？
　　学生2： 测小距离的读书误差相对较大。
　　教师表扬学生2考虑全面，尊重科学，能区分理论与实践的差距，并会巧妙处理。
　　设计意图：
　　学生3：不是，应该用尺子的零刻线对准计时起点0，一次性的读出各点的位置坐标。测量时应该估读到0.1mm。然后做差，计算出各段位移。（屏幕动画展示测位移的过程，并用xn表示各点坐标）
　　设计意图：计数点的选取是本次实验成败的关键，并让学生理解，用平均速度代替瞬时速度时，时间间隔不是越小越好，距离的测量也会带来误差。如何科学的减小误差是课程标准要求的科学探究素养中必备的技能之一，也是高考实验能力重点考查的能力之一。
　　3.某次实验中用打点计时器测量了某物体不同时刻的速度，试分析：用什么方法能形象描述速度大小随时间变化的规律？（数据表格略）
　　学生5：画v-t图像。
　　教师：怎样在这张给定的坐标纸上做v-t图像？（屏幕出现一个有坐标轴的坐标纸表格）
　　学生一起：描点、连线
　　教师：请看坐标轴上，没有标度，怎么描点？
　　学生一起：先选标度。
　　设计意图：复习做图方法，为处理实验数据做准备。
　　活动二：实验探究
　　一、实验原理与器材：
　　教师：下面，我们就用这种实验方法探究小车在重物牵引下运动时，小车速度随时间变化的规律。（板书研究课题）
　　（多媒体展示：实验原理图，利用纸带计算速度的公式，做 v-t 图像，探究速度随时间变化的规律。）
　　设计意图：直接利用复习内容进入实验，使过渡自然、流畅，既简化了实验原理的讲解分析，又强调了实验目的。
　　二、实验操作及数据处理
　　教师：下面，组长负责合理分工，开始实验。（每小组三条纸带）
　　学生操作实验：（1）安装器材;（2）在3条纸带上打点;（3）在一条清晰的纸带上选择计数点，一次性测量各计数点的刻度值，计算各计数点的速度，将数据填入表格;（4）依据数据做v-t图像。
　　教师巡视各组的实验情况，及时与学生交流，指导学生实验，同时，记录出现的典型问题（在后面对应环节中分析）
　　突发状况：教师巡视中发现，某小组的打点计时器在纸带上打出的点总是不在一条直线上，我及时为其更换，并安慰学生只要做出一条好的纸带就可以直接用，不用打三条纸带了。
　　设计意图：培养学生的实验探究素养;培养学生交流与合作的团队意识，培养学生融入社会的能力;教师注重课堂生成：寻找学生实验中出现的典型问题，为后面的交流探讨准备材料。
　　三、交流探讨数据处理的合理性
　　方法：借助实物投影，教师将同学们出现的问题归类，并与正确的图像对比分析，引導学生找出问题，并修正自己的图像。
　　设计意图：培养学生的观察能力与辨析能力，培养学生的批判精神。
　　学生出现的问题：
　　问题1：袖珍型图像：标度太小，图像只占据了坐标纸很小的一部分面积（三分之一或二分之一）。
　　教师：这样的图像在描点连线时有什么问题？
　　学生6：在坐标纸上找点时的误差大，描出的线误差也大。
　　问题2：星座型图像：直接将各相邻两点用直线相连，图像为折线。（重点讨论）
　　教师：看变化规律，用折线不行吗？学生不好回答。 　　教师（继续引导）：请大家参照学案的温馨提示（6）。（学生积极学习后，教师继续强调）初中时，减小实验误差的方法是多次测量取平均值。现在，图像法是减小实验误差更高级的办法。描点后，观察数据点的分布趋向（若趋向是曲线，就画一条平滑的曲线;若趋向直线，就用透明直尺、细铅笔画一条直线）使尽量多的点在线上，不在线上的点要均匀分布在线的两侧，离线较远的点，误差太大，舍去。
　　（利用实物投影，现场对应一张原来是折线的图像分析：这六个点大致落在一条直线上，应该画一条直线，教师及时示范给学生如何画直线。）
　　问题3：粗重型图像：点大、线粗。
　　教师：点大、线粗，清晰厚重，不好吗？
　　学生7：误差大。不能精确确定数据点的位置，也不能准确找到某一时刻的速度值，做出的图像误差太大。
　　问题4（重点讨论）：0出发型图像：图像过原点。
　　教师：这张图把前面三个问题处理得很好，整体是不是很合理了？请参照本组纸带0计数点的选取。
　　学生8（思考后）：不合理，不应该过原点，因为零时刻小车有速度。（此时，大部分学生看自己小组的纸带）
　　教师：回答非常正确，感谢你尊重了实验事实。（再面向全班）祖国的建设早晚要交给你们，所以，以后搞科研的你们，一定要尊重实验事实，不能想当然！
　　问题5：不着“天地”型图像：直线下方不与纵轴相交，上方没有延长。
　　教师：大家看这张，直线做得很好。但零时刻小车的速度没有找到。怎样找到零时刻时小车的速度？
　　学生9：将直线向纵轴方向延长，与纵轴的交点读数就是小车零时刻的速度。
　　教师（强调）：除零时刻外，从0.1s开始，小车的速度变化在v-t图像上是直线。（老师边说边比划），所以，将直线向纵轴延长，与纵轴的交点读数就是小车零时刻的速度（借助投影仪，用细铅笔、直尺，边说边画图）。同时，请大家根据以上交流，修正自己的v-t图像，并体会一下作图的收获。（学生更改自己的图像并反思。）
　　设计意图：培养学生的观察能力，以及尊重实验数据和实验事实的科学态度、精神，提升学生严谨的科学素养，从而培养学生利用数学图像科学描述物理现象的能力，提高学生的图像素养，引导学生攻克薄弱实验技能。
　　四、归纳总结
　　教师：（借助实物投影的一张学生的v-t图像，修改正确的）分别提出以下问题：
　　（1）每个0.1s内，速度的增加量相等吗？
　　少部分学生：相等。
　　教师：（等学生回答完，教师现场做辅助线，标注出平行线的同位角，构成相似三角形，将速度增加量标在对应位置。再回头看学生）相等吗？（学生集体回答相等。）
　　（2）每个0.05s内，速度的增加量相等吗？
　　学生们稍加停顿后大声回答：相等。
　　（3）每个0.2s内，速度的增加量相等吗？（学生集体回答相等。）
　　（4）在任意相等时间内，速度的增加量相等吗？（学生集体回答相等。）
　　（5）小车速度随时间怎样增大？
　　所有学生：均匀增大
　　（学生回答后，板书结论：小车速度随时间均匀增加。）
　　请看前面，我们根据图像的走向找到0时刻小车速度的方法科 学合理吗？
　　学生：合理。
　　设计意图：培养学生利用图像获取信息的能力，学习分析、归纳规律的科学方法;体会图像能形象直观展现规律的特点;体验数学图像在研究物理问题中的重要作用。
　　五、误差分析
　　教师：经过前面一系列过程，我们得到了小车的运动规律。请看刚才我们分析的这个v-t图像，有的实验数据点不在直线上，为什么？
　　学生一起：有误差。
　　教师：请回忆整个实验的过程（打点、选点、测刻度、计算速度、描点连线），你认为在哪些环节中可能产生误差？怎样操作可以减小误差？
　　学生10：有测量误差，读数误差，计算误差，描点连线的做图像误差。
　　（换打点计时器的那组）学生11：打点不稳定带来误差。
　　教師：电压不稳定也会带来打点误差。
　　（以上过程中，边讨论边板书）
　　设计意图： 培养学生分析误差、减小误差的实验能力和严谨的科学态度、科学精神。
　　六、完善实验结论
　　教师：既然有误差，我们得到的科学合理的实验结论应该是什么？
　　学生12：在误差允许范围内，小车的速度随时间均匀增加。（教师板书结论）
　　设计意图：培养学生严谨的科学精神，培养学生用物理语言阐述物理问题、归纳物理规律的能力。
　　七、数字传感器实验
　　教师：前面用打点计时器找到了小车速度的变化规律，其中的数据采集、处理过程比较麻烦。现在，我这里有更先进的速度传感器可以自动测量小车速度随时间变化的数据，并传输到电脑上。并依据相应软件自动生成速度—时间图像。
　　教师简单介绍仪器。现场设计数据采集器、软件的对应条件，请三位同学现场操作传感器实验。（学生操作略，电脑的速度—时间坐标系内留下了很多数据点）
　　教师：（利用传感器、电脑、实物投影，现场选取有效数据点）舍去小车没完全释放的阶段，舍去小车碰撞弹簧的阶段，中间这段才是有效数据点。（用鼠标在电脑上选取）
　　用电脑软件处理数据，拟合得到图像。分析：也得到了一条不过原点的倾斜直线，与实验结论一致。这也说明，我们前面的实验操作是成功的，结论是正确的。另外，公路上测超速的原理也是数字化的。
　　设计意图：使学生体验现代高科技带来的更科学、操作更方便的数字化实验仪器，并联系公路上的测速原理，让学生更进一步理解生活中有物理，物理又服务于生活的道理，激发学生学习物理的积极性。
　　活动三：课堂小结与作业布置
　　教师：这节课我们用实验探究了小车速度随时间变化的规律。请回忆：我们用什么方法处理了数据并归纳出规律？
　　学生：v-t图像法。
　　教师：做v-t图像时，要在选标度、描点、拟合连线等方面减小做图误差。课下，大家根据今天的分析查进一步找自己实验中的问题，完善实验数据处理，整理完成实验报告。整理实验器材，下课。
　　设计意图：培养学生及时反思、尊重事实的科学品质，使学生体验实验在研究物体运动规律中的作用，体会数学工具在物理学中不可替代的作用。
　　板书设计：
　　第二节
　　实验：探究小车速度随时间变化的规律
　　设计意图：使学生明白，为了得到准确的实验结论，实验过程、误差分析都很重要;提高学生的实验探究素养和实验能力，培养学生尊重实验事实的科学态度与责任。
　　教后反思：这是笔者在山东省实验优质课获得一等奖的课堂实录。课后，笔者认为，在交流实验数据处理、做图像的阶段，可以设计出有效问题，让学生自己讨论交流后汇报，实现真正的还课堂与学生。在以后的教学中，我会时刻提醒自己，通过巧妙设计，体现学生的主体地位，实现润泽的课堂。
　　参考文献：
　　[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[S].北京：人民教育出版社，2018.1
　　[2]人民教育出版社 课程教材研究所 物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2008
　　[3]陈卫国.“数字化实验与传统实验”融合的思考——以“测定电池的电动势和内阻实验”为例[J].中学物理，2017.10：35-36
　　作者简介：
　　张红香（1976-），女，山东省惠民县人，大学本科学历，中学一级教师，研究方向：高中物理教学。
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