《探究变力所做的功与动能定理的关系》教学设计

《探究变力所做的功与动能定理的关系》教学设计 一、教学设计思想 新课程大力倡导在学科课程中面向全体学生，开展多样化的探究式教学活动。这就要求在教学过程中，辩证地处理学生自主与教师指导的关系，珍视探究中学生的个人观念、独特感受和体验，并引导学生积极反思。同时，要特别强调学生之间的相互倾听、交流与合作。在中学阶段的物理教学中，高中学生的探究活动最终应该构造出一种解释方案或一个模型，还要承认并分析其他解释方案和模型，而且能够通过对证据的权衡和对逻辑的检查，决定哪种解释和模型是最佳的。在中学阶段教学的实践表明，有意识地去培养中学生的模型思维能力不仅仅是必要的，而且也是切实可行的。在学习过程中所培养出来的思考方法、所掌握的研究方法、所形成科学素养可以使学生终身受益。 二、学习任务分析 本节的内容是司南版物理2第二章第3课时《动能定理》的第二节应用课（第一节已经学过探究恒力做功与动能定理的关系），动能定理是力学中最重要的规律之一，它的应用贯穿于以后的许多章节。在本节教材中，要求学生通过生活中的实际例子构建物理模型，并通过物理实验让学生在恒力做功的基础上更进一步体验动能定理在变力做功中的应用，理解做功与能量转化之间的关系。 三、学习者分析 1、教学重点：动能定理的应用．    2、教学难点：构建物理模型以及设计实验方案 高一同学，已初步掌握了实验探究的基本程序(从观察现象→提出问题→构建模型→方案设计→实验探究→数据测量→归纳总结)；初步形成了观察、思考与质疑、交流与合作的学习习惯；初步掌握了分析力学问题的一般方法，能应用动能定理分析外力做功问题。   四、教学目标 1、知识与技能  （1）掌握动能定理，会用动能定理解决变力做功。  （2）懂得从生活中的实际例子构建出物理模型，并设计实验进行探究。 2、过程与方法 （1）通过进行实验探究的过程中，通过各组学生的讨论和交流，学习构建模型，制定实验方案，分析，处理实验数据的方法。 （2）尝试用数学方法解决物理问题的方法。 3、情感态度与价值观  （1）通过进行模型思维训练的过程中，可以提高学生的想象能力，培养学生的创造性思维。 （2）培养主动与他人合作的精神，敢于坚持正确观点，具有质疑的品质。 （3）感悟科学探究的方法，体验和分享探究的成功喜悦，产生科学探究的兴趣。 五、教学准备 铁架台，尺子，量角器，细绳，橡皮筋，钩码，小球，光滑斜槽   六、教学过程  一、创设情境，引入新课 视频1：运动员蹦极 视频2：小朋友荡秋千 师：在运动员蹦极，小朋友荡秋千的画面中，有变力做功的过程吗？ 生甲：运动员蹦极的过程中，弹性绳做的功是变力功。 生乙：小朋友荡秋千的过程中，大人给的推力也是变力功。 师：如何求这些变力做的功呢？怎么把生活中的复杂问题转化成简单的物理模型？如何设计实验来研究这类两变力做的功呢？ [设计意图]：变力做功是生活中常见的现象，但很少有同学去深入研究它，所以提出问题，引起思维的撞击，激发学生求知欲，引导学生主动去探究。   二、学生探究、新课教学   探究1  竖直方向的变力功 （1）启发思维，引入问题 师：蹦极是一种惊险刺激的运动，系着运动员的绳子是由两段组成，上面一段是不可伸长细绳，下面一段是拉力与伸长量成正比的弹性绳。站在悬崖往下跳时，如果不考虑空气阻力，运动员的受力情况以及运动是怎样的呢？ 生甲：以运动员为研究对象，受到重力和弹性绳的拉力。 生乙：当细绳没有拉紧前，运动员做的是自由落体运动；当拉紧后，弹性绳的拉力随着伸长量的伸长而增大，做的是变减速运动。 （2）构建模型，设计实验 师：那我们如何求变化的弹性绳的拉力所做的功？听起来不太现实，可能很多同学都没玩过蹦极，能否用实验室的器材当场来模拟蹦极的过程？ 师：蹦极这项运动是由不可伸长细绳，弹性绳以及运动员组成。大家想想看能不能用什么来替代它们？可分小组讨论？ 生：用钩码代替人，用橡皮筋来代替弹性绳，用个铁架台系上细绳，弹性绳，再挂上钩码，从最高点释放，就可设计出“蹦 极”。（如图1所示） 师：非常好。把蹦极模型化，我们把蹦极搬到了实验室，我们一起真实感受它。请大家动手体验一下（学生动手）。 （3）小组讨论，制定探究方案 师：感受了“蹦极”，钩码从最高点运动到最低点时，能否用实验来测定弹性绳的拉力所做的功？还需要什么测量仪器？ 教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》 生：在铁架台旁固定个尺子，如图1所示，测出钩码自由下落的高度；以及最高点到平衡位置的高度；和最高点运动到最低点的高度。 师：钩码自由下落的高度；以及最高点到平衡位置     的高度都好测，可怎么测定最高点到最低点的高度呢？也就是怎么确定最低点的位置？ 生甲：让钩码从最高点释放，运动到最低点时，                       目测钩码位置。 生乙：这样目测误差大。 生丙：（如图1所示）先用目测最低点大概在某一位置。把小尺子放在那位置，去接触下落的钩码。如果没碰到，那就太低了，把小尺子放在更高的位置，如果砸到了，就高了，在这两者之间选取一个位置，让钩码恰好接触尺子，这就是最低点。 （学生分组进行实验） （4）根据实验数据，测出变力功 师：根据我们同学通过实验得到的数据，我们可以编出一道物理题：质量为m=100g的钩码，自由下落的高度为h1=35cm，最高点到平衡位置的高度h2 =42cm，和最高点到最低点的高度h3=60cm。如何根据这些数据测出物体克服拉力所做的功？大家可以分小组讨论一下。 生甲：用W=FS 教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》求。 生乙：这是适用恒力做功，不适用变力做功。 生丙：用动能定理求。 师：动能定理的基本步骤是确定研究对象，再对它受力分析，然后根据选定的某一过程的始末状态列动能定理。请同学对这一过程进行分析。  教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》生甲：以钩码为研究对象，如果不考虑空气阻力，在A—B自由下落阶段，只受重力，在最高点A到平衡位置C，受拉力和重力，拉力大于重力；从平衡位置C到最低点D，拉力小于重力。其中教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》,教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》,教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》选取两个过程列动能定理。 A—B:mgh1 =教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》—0 B—D:mg（h3-h1）—WT=0—教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》 生乙：选取全程列动能定理。 A—D：mgh3 —WT =0—0 代入数据得：WT=0.588J 师：分过程求好还是全程求好？大家可以讨论一下。 生甲：全程求好。可以把很多复杂的问题简单化。 生乙：因为动能定理的初动能和末动能只由始末两个状态决定，可以忽略过程。这是它最特别的地方。 生丙：即使整个过程是由加速，减速不同的运动过程组成也可用动能定理求。 师：同学们都讲得很好，用动能定理求变力做功,既可分过程求，也可全程求。当我们用W=FS 教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》无法求解时，可以考虑用动能定理间接求解。同学们在课后可进行对跟蹦极相似的蹦床运动中的变力功进行实验探究。 [设计意图]：从观察现象→提出问题→构建模型→方案设计→实验探究→数据测量→归纳总结，让学生体验到科学研究的方法，培养对物理研究的兴趣。再引出相似的蹦床的运动，值得让学生继续回味。   探究2     水平方向的变力功 （1）引入问题, 构建模型  师：小朋友荡秋千的过程中，大人给的推力功与蹦极弹性绳的拉力所做的功有什么共同点和不同点？ 生：都是变力功，大人给的推力功是水平方向的力做的功。蹦极弹性绳的拉力所做的功是竖直方向的力做的功。 师：能不能根据也跟蹦极一样，构建荡秋千模型，设计实验，测出推力功。 教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》生：把秋千看成单摆，小朋友当作摆球，用个铁架台系上细绳和摆球，先给它一个推力，让它摆起来，就可模拟出荡秋千。 （2）小组讨论,制定实验探究方案 师：怎么测定推力的功？推力从A作用到B点。 [学情预设] 方案一：  生（1组代表）：求出撤去推力瞬间B点的速度（如图3所示）。 方案二： 生（2组代表）：用尺子目测摆球摆到最高点C的高度。（如图3所示） 教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》方案三： 生（3组代表）：用量角器测出摆球A摆到最高点C时偏角。再用余弦公式计算高度。（如图4所示） 方案四 生（4组代表）：先纪录最低点A的位置，记下最高点C的偏角，然后再把它从最高点C释放，并记下C点的位置，它离最低点A的高度就可用尺子量出，就是我们需要的高度h（如图4所示）。 师：哪一种方案最好。大家可以分小组讨论一下。 生甲：方案一的瞬时速度难求； 生乙：方案二目测的误差大； 生丙：方案三测出摆球摆的偏角不是特殊角，余弦值难求； 生丁：方案四最好，定下AC两点，直接用尺子量出高度h，即简单误差也小。 [设计意图]：每一种方案都有它智慧的地方，给学生相互倾听、交流与合作的平台，终会有奇迹出现。 （3）根据实验数据，测出变力功 教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》师：制定了方案，大家可动手测测。同样也可跟据测定的数据编出物理题目：如图3所示：一个质量是m的小球，用细线挂起，若给它一个推力F后，小球能上升的最大高度是h，求推力对小球做了多少功？（不计空气阻力） 生：跟蹦极一样可对全程列动能定理，间接求解。 师：非常好。如果始末状态分别是最高点和最低点，在这两个位置动能为零，取这样的过程列动能定理，是非常巧秒的，可使复杂的问题简单化。 师：刚才我们同学都做了实验，也有相应的数据，请大家把它当成今天的作业，计算你们的推力对小球所做的功。   探究3   曲线运动中变力所做的功  （1）引入问题, 构建模型 实验：小球沿着弯曲的轨道下滑 师：生活中有类似的运动吗？ 生甲：滑道运动。 生乙：滑雪运动。 生丙：滑梯，滑板运动。 视频：滑板运动 师：滑板运动过程中是否有变力的功？对它进行受力分析。 生甲：受到重力，支持力，滑动摩擦力。支持力是变力，所以摩擦力是变力。 生乙：支持力不做功，只有重力和摩擦力做功。摩擦力是变力，所以它做的是变力功。 师：要研究这变力的功，我们同样可以在实验室模拟滑板。 实验：小球沿着弯曲的轨道下滑 （2）制定实验探究方案，测出变力功 师：把滑板看成小球。同样求变力做的功，象前面一样，用动能定理求。 （如图5所示）教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》动能定理的基本步骤是先确定研究对象：小球就是研究对象； 再对它进行受力分析：受到重力，支持力，滑动摩擦力； 确定始末状态，从A到B：重力做正功，支持力不做功，滑动摩擦力做负功； 用动能定理列式：mgh-Wf=教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》-0(动能的变化量等于外力做功的代数和。) 师：要求摩擦力做的功，还需要哪些已知量？ 生：从A到B的高度，小球的质量，还有到B点的速度。 （3）制定实验，探究平抛运动 师：高度，质量好测定，如果斜面末端B点是水平的，有哪些方法可以测定B点的速度？ [学情预设] 生甲：可以让B点与一个水平轨道相连，在水平面的运动可以看成是匀速运动，可求出B点的速度。 生乙：在B点连接另一段弯曲轨道，测出滑到最高点的高度，根据教学设计《探究变力所做的功与动能定理的关系》 可测出速度。 生丙：可是实际上水平轨道和弯曲轨道的阻力不能忽略。 师：其实还有一种更好的方法，只不过要用到下一章平抛运动的知识，让小球离开末端时做平抛运动，便可以求出这个初速度。有兴趣的同学可以在课后对这个实验进行思考与探究。 [设计意图]科学探究始于问题，设定有哪些方法可以测定B点的速度，引出用平抛运动进行测定，让思考更进了一步。让学生对没有学过的知识充满探索的兴趣和热情。   教师总结：通过以上的探究活动，我们对生活中的变力功做了研究，即有直线运动，又有曲线运动，他们都来源于生活，而且我们都将它简化成物理模型，并设计相应的实验来研究它，通过研究我们可以得出两个结论：1.应用动能定理可以研究变力做的供功2.动能定理可以将加速度不同的过程当做一个过程来研究。通过这节课，我们和同学们了解物理学的研究过程和方法。学会将生活中的实例模型化，并制定实验方案，并亲自动手实验，得到所需要的结果。这种方法不仅在以后学物理的过程中有帮助，同时它也将渗透到其他科的学习中。在实验的过程中，同学们也学会了相互交流，体验，合作，这些都是很好的品质，对以后的学习工作会起到非常重要的作用。   七、设计思路 新课程有一个关键的概念，这个概念就是“课程资源”。 相关的说法是：“教师参与课程资源的开发与利用”、“教师成为课程研究者”。 一个优秀的“教学工作者”首先是一个出色的“课程工作者”。 或者说，优秀的教师一直在参与课程资源的开发和利用。本节课是《动能定理》的第二节应用课，在教科书中并没有这节课的内容，如何围绕动能定理研究变力功这个主题学生提供相关的材料，这是教学中的关键要素。新课标要求能用动能定理解决生产和生活实际的有关问题。所以在设计这节课中，主要是通过寻求生活中变力功的实例，来加深对动能定理的理解。因此主要从直线运动和曲线运动两个方面，来寻找生活中的变力功，也就是竖直方向的蹦极，和水平方向的荡秋千以及滑板中的曲线运动中的变力功，都极具代表性。    已经积累了丰富的教学资源，但是用什么方式来把这些知识传授给学生呢？新课程大力倡导开展多样化的探究式教学活动，尤其重视科学探究的方法，创造性思维的培养。因此就有了这些生活中的实例模型化，让我们的同学能够用实验室的仪器当场模拟，比方说把蹦极模型化：用钩码代替人，用橡皮筋来代替弹性绳，用个铁架台系上细绳，弹性绳，再挂上钩码，从最高点释放，就可设计出“蹦极”。 继而荡秋千和滑板模型化也浮出水面。紧接着设计实验来探究这些变力功。在实验探究的过程中，给学生充分的独立思考和自主设计实验的空间，发挥学生的创造性和判断能力。比方说在测定荡秋千推力的功时，我们同学俨然是研究者、探索者，经过小组同学的合作和交流中设计出了四种方案，然后不断的否定与改进，最后选出了最佳方案。真正培养学生自主学习、合作以及探究能力，并且也学会科学研究的方法。在测出相应的实验数据后，我们又根据这些数据，又编出了相应的物理题，真所谓高潮迭起。在整个教学设计中，时不时的闪烁智慧的火花，比方说设计出巧妙的测量方法，比方说蹦极引出的蹦床、用平抛运动测定初速度等等，这些都让整节课增色不少。 在中学阶段的物理教学中，高中学生的探究活动最终应该构造出一种解释方案或一个模型，而且能够通过实验决定哪种解释和模型是最佳。本节课一直贯穿着这种思想。因为只有这样，才能真正培养出具有创造性思维的学生，而不是只会“题海战术”的学生。更重要的是在整个探究过程中所培养出来的思考方法、所掌握的研究方法、所形成科学素养会让学生终身受益。