2022年高中物理必修第一册1.3位置变化快慢的描述——速度 教案

3、运动快慢的描述——速度一、课标要求1.理解坐标变化量的物理意义，能用坐标变化量表示直线运动的位移和时间。2.通过极短时间内的平均速度认识瞬时速度。通过瞬时速度，初步了解极限的思想。3.通过对日常生活中有关速度的实例的分析，体会变化率的概念及表达方式。4.理解速度和速率的物理意义，知道速度是矢量。二、教材分析本节的第一部分内容继续强调某个物理量与它的变化量的关系，意在对该部分知识温故与拓展，为后继内容的学习奠定基础。学生通过初中物理的学习和生活体验，已经有了速度的初步概念，但这种概念比较肤浅，也不准确。本书没有在一般性的速度概念和平均速度的概念上面下功夫，而是比较简洁地深入到瞬时速度的概念。本书定义瞬时速度使用到了极限的思想，但没有提出“极限”这个术语。只要不要求极限的数学定义、不要求极限的运算，中学生完全可以接收极限的思想，包括后面设计的定积分的思想研究位移等。用极限的思想定义瞬时速度是建于这样一种思想：把一个变化的事物分解成很小的部分，每个小部分都可以看成是不变的，可以用比较简单的方法去处理，在把各个小部分的结果再合起来，就得到整个问题的解，这是近代数学物理中常用的方法。在现代信息技术中，把模拟信号变成数字信号时，要分割、取样、量化，实际上就是取极限的过程。所以极限的思想已经不是个知识，它是一种方法、一种观念，对于以后的学习甚至科学思想方法的形成都是很重要的。“说一说”和“做一做”两个栏目都是扩展性学习内容，前者偏重于思考，后者偏重于动手操作。它单是知识性的扩展，而在于激发学生的兴趣、激发学生的思考，或发展学生的动手操作能力。STS栏目强调的是科学技术与社会的关系。本节“速度与现代社会”讲的是，由于交通工具速度的提高，成熟规模的扩大，战争观念改变了，不同文化的交融加快了……STS的意义在于揭示科技与社会的互动关系，而非单纯的科学知识在技术上的应用。如果只讲科学的发展使得汽车、飞机、轮船等技术发展了，人们可以“日行千里”，却不涉及城市建设、战争观念、文化交流等社会层面的内容，那就不是本来意义的STS。这点应引起注意。本节STS借协和客机停飞一事，引导学生讨论“交通工具的速度是不是越快越好”这样的问题，这是一个开放性的问题，意在让学生去思考，去讨论。“问题与练习”中的第3题要计算速度，这本是十分容易的事，但要获得计算所需数据，学生需读懂列车时刻表，这可能成为难点。三、教法建议1.坐标与坐标的变化量本小节重在强化某个物理量与它的变化量的关系，教学中注意突出如下几点：（1）位置“坐标的符号”、“坐标的数值”与“坐标的正负”的意义。（2）某个物理量的变化量的一般计算方法是：用后来的量减去原来的量。（3）用位置坐标差表示位移，强化“差的数值”与“差的正负”的意义。2.速度6用心爱心专心 本小节的核心是用速度描述运动快慢的方法，主要突出了三个方面的思想：比较物体运动快慢的方法；速度的定义方法；速度的矢量性。该部分学生接受起来不会有太大的困难，所以不可在这里就差过多的时间，进行教学设计时要抓住如下几点：（1）让学生明确比较位置变化快慢的必要性和基本途径：比较相同时间内通过的位移大小或比较通过相同位移所需要的时间。要列举实例让学生领会。（2）物理学中比较位置变化快慢的标准：比较相同时间内通过的位移大小。可列举运动场上描述运动员跑得快慢的方法：用最后的成绩描述时，比较的是相通路程（或位移）所用的时间，既看谁用的时间短；观察比赛过程中的比赛情景时，比较的是相同时间内通过的路程（或位移），既看谁在最前面（3）速度的定义方法和单位的意义：用位移与发生这个位移所用时间的比值描述运动的快慢。速度为6m/s时，读作6米每秒，表示如果匀速运动在一秒内通过6m的位移。要注意强调v=△x/△t表示的是比值定义法，v与△x、△t没有决定关系。（4）速度的矢量性：其方向就是物体运动的方向。3.平均速度和瞬时速度平均速度与瞬时速度是为不同的描述需要而引入的，而用极限的思想定义瞬时速度学生是第一次接触，所以教学中既要让学生领会极限的思想，又要控制教学的难度，可以考虑这样进行教学设计：（1）通过实例让学生感悟“物体的运动快慢是变化的，绝对准确地描述物体的运动快慢是困难的”。（2）说明v=△x/△t描述的是物体在△t时间内或△x位移上的平均快慢程度，以此引入平均速度的概念。（3）引导学生思考“从t到t+△t时间内的平均速度，在△t取不同值时跟t时刻速度的关系”，从而接受“在△t非常小时，就可以认为v=△x/△t是物体在时刻t的速度”这一极限思想，以此引入瞬时速度的概念。要注意的是只需体现极限的思想，不要引入“极限”这个术语。（4）对瞬时速度，要列举实例让学生理解：某时刻瞬时速度的数值，等于从该时刻起，以该速度匀速运动时，单位时间内通过的距离。（5）匀速直线运动是平均速度与瞬时速度相等的运动，通常叙述中的速度到底是平均速度还是瞬时速度，要通过上下文结合判断，以培养学生具体问题具体分析的学习习惯。4.速度和速率本小节的教学主要应解决三个问题：一是速率是指速度的大小；二是交通工具上速度计显示的是瞬时速率；三是明确日常生活中人们常说的速度大多是指速率。本节需要注意的一个问题是：瞬时速率等于瞬时速度的大小，但平均速率不一定等于平均速度的大小。例如，沿闭合圆周运动一圈，位移是零，平均速度是零，但平均速率并不等于零。5.“做一做”和“说一说”“做一做”可安排在课外活动时间做，以兴趣小组的组织形式开展，重在突出描述的方法，对长距离和短距离上的速度，可以联系到平均速度和瞬时速度；“说一说”可以在课堂上展开讨论，重在澄清认识，领会瞬时速度的概念。6.关于STS6用心爱心专心 本节STS借协和客机停飞一事，引导学生讨论“交通工具的速度是不是越快越好”这样的问题。教学中只要学生参与就可以了，不要企图得到什么结论性的意见。四、教学资源1.速度在1米/秒以下的表演  (1)10的负11次方米／秒(10微微米/秒)青藏高原缓慢上升  青藏高原只是在近二百万年左右的时间内，从海拔1000米的高度达到了现在的海拔4700米的高度。它的平均上升速度是58.7微微米/秒。但每个地质时期它隆升的速度并不均匀，在距今两百万年前的早更新世时期，它上升了1000米；在距今一百万年前的中更新世时期又上升了1000米；但从晚更新世以来的仅10余万年，它却上升了1500米以上，平均每年升高10毫米，其中，从距今一万年前起，它上升的速度加快，平均每年上升70毫米。现在，它仍处在快速上升的时期。  应当说明的是，迄今为止，10微微米/秒的速度并不是人类观测到的物质运动的最慢速度。物质运动的最慢速度仍有待于进一步的观测和确定。  (2)10的负10次方米／秒(1埃/秒)尔威兹加树慢慢长高  自然界树木生长的速度，真是千差万别，有的快得惊人，有的慢得出奇。例如在前苏联的喀拉哈里沙漠中，有一种名叫尔威兹加的树，个子很矮，整个树冠是圆形的，从正面看，象是沙地上的小圆桌。它的生长速度极慢，100年才长高30厘米，即1埃/秒。也就是说，每秒钟它仅仅长高十亿分之一厘米。  (3)10的负9次方米／秒(1纳米/秒)东非大裂谷不断开裂  据地球物理勘探资料分析，东非裂谷带存在着许多活火山。这些活火山的不间断活动，导致大裂谷不停地向两边开裂，虽然速度非常缓慢，但近200万年来，却达到了平均每年开裂大约2～4厘米的速度。按中间数每年开裂3厘米的速度计算，速度达到了1纳米/秒。可别小看这个速度，它1万年就是300多米。如果依此不停地开裂下去，未来的某一天，东非大裂谷终会将它东面的陆地从非洲大陆分离出去，从而产生一片新的海洋以及众多的岛屿。  (4)10的负8次方米／秒(10纳米/秒)海岸一步步后退  本世纪初，我国局部地区海岸侵蚀还相当严重。特别是在采沙过度的海岸，近2～3年内海水向陆地侵蚀100多米，侵蚀最严重的地方达200～300米。黄河入海口一带的海岸，仍以2.3米/年、即72纳米/秒的速度后退。  (5)10的负7次方米／秒(100纳米/秒)沙丘缓缓移动  自1950年以后，由于我国塔里木河上游耕垦不断扩大，致使塔里木河下游生态环境急剧恶化，主要表现在水源减少，特别是若羌县所属阿拉干以下，在1972年后已经断流，地下水位下降，水质变坏，森林植被衰败，土地沙漠化加剧发展。到1985年，低矮沙丘以10米/年、317纳米/秒的速度向前移动。由于水源枯竭和植被死亡，更使原有的灌丛沙堆迅速向流动沙丘方向发展。  (6)10的负6次方米／秒(1微米/秒)大气尘粒降落  大气中还含有大量的尘粒和其它固体物质。尤其是粒径为0.1微米到5微米的微粒，对于地表能量平衡影响甚大。根据测定，此类尘粒中的少部分尘粒在大气中的下沉速度约为1厘米/小时，即2.8微米/秒。如在2公里高空处存在着这类粒子时，约需20多年的时间才能沉降到地面。6用心爱心专心   在英国发现一种生长很快的花卉植物，这种花卉属于西洋丁香家族的一种。在14天的时间里它长高3.65米，也就是说每天长254毫米，长高速度达到了2.9微米/秒。2.速度在1米/秒以上的表演  (1)10的0次方米／秒(1米/秒)浓烟扩散  1米/秒到9米/秒速度，是日常生活中较为常见的物质运动速度。具备这一区间运动速度的物质，常常与人们的生活密切相关。  火灾产生的高温浓烟扩散速度为约1米／秒左右，其垂直扩散速度比水平方向快3～5倍。这种带有毒气的烟给救人、自救和疏散造成极大威胁。  一级风的标准风速是1米/秒。当微风吹起，树叶轻微摆动，炊烟能表示风向，海水则微微泛起波浪。我国东海海域的黑潮流的平均流速为1米/秒。  成年人步行的平均速度约为1米/秒，游泳的速度约为2米/秒。  球形闪电大多出现在雷雨交加的时刻或暴风雨前后，呈发光的火球形状，中心极亮。这种火球的颜色多变，直径通常为10～40厘米。发生球形闪电的持续时间仅在几十秒之间。它常常以2米/秒的速度作水平移动，有时停留在半空中，有时又降落地面。  我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大,在这些地区，发展风力发电是很有前途的。  海水流动速度为每秒3米，潮汐的流动速度为5米/秒。  一个直径8米左右的载人降落伞，其下降速度是6米/秒。  长跑运动员的速度约为7米/秒。  雨水降落的一般速度约为8米/秒。  世界上第一台直接驱动机器人最大行走速度9米/秒，能提动6千克重物，定位精度达0.1毫米。  据科学家估算，霸王龙的奔跑速度平均约为9米/秒。  (2)10的2次方米／秒(100米/秒)大风暴席卷高山  1958年4月12日美国新汉普郡，在1916米高的华盛顿山上,大风暴的风速达到了每小时371公里，即103米/秒,这是风暴风速最大的世界记录。  1999年10月22日，登普西世界纪录协会拥有的一台名为“白色闪电电动流线型汽车”的电动汽车，在美国犹他州的邦纳维尔盐沼达到了395.821公里/小时，即110米/秒的创纪录速度。  神经脉冲沿神经纤维的传输速度为120米/秒。  次声波在空气中的传播速度约为300米/秒，声波在空气中传播速度是340米/秒。  “道尔”导弹又叫“圆环胎”导弹，北约国家称作“萨姆15”导弹，它是一种机动型全天候近程防空武器，导弹发射后在极短的时间里就能达到每秒860米的高速度，它可以攻击最大飞行速度达到700米／秒的飞机或导弹，而目前大部分机动式防空武器只能攻击速度约5O0米／秒的空中目标。  子弹射出枪口的速度大约是900米/秒。  （3）10的3次方米／秒(1公里/秒)地震波迅猛扩散  声音在水中的速度为1.453公里/秒。  在第一次世界大战中，德国制造了一种炮身长34米的大炮，炮弹的速度达到1.6公里/秒。  气象火箭升空的速度约为1.7公里/秒。6用心爱心专心   地震波的纵波传播速度约5～6公里／秒。在震中区，人们对纵波的感觉是上下颠动。横波的传播速度约为3～5公里／秒。在震中区，人们对横波的感觉是前后左右晃动。因横波速度比纵波速度小，故横波跟在纵波后面。  电磁炮是利用电磁力为炮弹加速的电磁发射系统。电磁炮弹主要用于反导弹和反卫星作战。电磁炮的速度可达3～20公里/秒，能有效地摧毁空间的各种人造卫星和导弹。  人造卫星环绕地球运行的速度是7.9公里/秒，这一速度被称为“第一宇宙速度”。  (4)10的4次方米／秒(10公里/秒)流星雨追撞地球  在太阳系中除了九大行星和它们的卫星以外，还有彗星、小行星及一些更小的天体。小天体的体积虽小，但它们也和九大行星一样，在围绕太阳公转。如果它们有机会经过地球附近，就有可能以每秒几十公里的速度闯入地球大气层，与地球大气发生剧烈摩擦，从而发出耀眼的光芒。这就是我们经常看到的流星。流星雨是一种有成群的流星看起来像是从夜空中的一点中迸发出来，并坠落下来的特殊天象。这一点或一小块天区叫做流星雨的辐射点。流星雨中流星运动速度都在12公里/秒到72公里/秒之间。  到2004年的今天，美国人发明的太空飞行器还正在飞出太阳系。其中最远的是旅行者一号，前几年的数据是已经离开太阳120多亿公里，每年差不多要离开太阳5.7亿公里。它的飞行速度是17.4公里/秒。  (5)10的9次方米／秒(100万公里/秒)或以上类星体辐射源超光速分离  1960年，射电天文学家用当时世界上最大的望远镜观测到两个射电源。结果发现它们都是很暗的蓝色的星，尽管看起来像恒星，但又不是通常的恒星。天文学上称它们为类星射电源，简称类星体。令人惊奇的是，在某些类星体中，其分立的子电波源间出现分离的相对速度居然快过光速！1977年以来的发现证实，其中一个类星体的内部有两个辐射源，并且它们还在相互分离，分离的速度竟高达288万公里/秒，是光速的9.6倍!  这种与广义相对论矛盾的现象应该如何理解呢？这里要对对光速极限这个结论要加一点注解。  有一种不正确的理解，认为光速极限是一切速度的极限。错了，光速只是物体运动速度的一种极限，或能量传递速度的一种极限。如果不注意这个条件，一般地谈速度。那么，找寻超光速的现象在物理学中并不是难事。  举一个极常见的例子。在节日的晚上，当探照灯射向高空的云层时，由于云层的反射，你会在云层上看到一个亮点。当地面上的探照灯慢慢转动时，亮点却以极快的速度在运动。如果能有足够高的云层，这个亮点的速度就可以超过光速。这时，沿着亮点运动的轨道并没有能量的传递，所以它的速度并不受光速极限的限制。  探照灯的例子可以解释类星体的超光速现象：类星体的中心母体喷射出两股相反方向的粒子流(相当于探照灯的光)，它照射在星系际介质上(相当于高空中的云)，从而激起射电辐射(相当于亮点)。因此，只要中心母体有小的摆动。粒子流照射所激起的辐射区就会迅速地移动。光速不是这种辐射区移动速度的极限，因而超过光速是许可的。  在宇宙大爆炸的初期，宇宙经历了一次极为短暂的暴涨阶段，在宇宙诞生后的10-35-10-33秒，宇宙奇点的直径就由10的负26次方米扩张到了10的24次方米(约相当于1亿光年)！依此计算，宇宙奇点在这一时间段的暴涨速度达到了10的52次方万公里/秒，远远大于30万公里/秒的光速。宇宙如此高速暴涨的能量自何而来，仍是一个未解之谜。6用心爱心专心   目前，超光速现象还处在研究和论证阶段。发现没有止境，探索还要继续。大千世界精彩的“速度”表演还会有新的内容展现在人们面前！6用心爱心专心