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探究功与速度变化的关系_高中物理（周庆武）
探究做功与速度变化的关系
1实验器材
木板、小车、钩码、橡皮筋（若干）、打点计时器、低压交流电源、纸带、细绳、刻度尺等
2创新要点/改进要点
本节课采用三种不同的实验方案探究做功与速度变化的关系。根据学生呈现的实验数据，进行误差分析找出误差的主要来源，选出最优的实验方案。通过本节课的学习，学生要学会对给定的实验方案的可行性、合理性、科学性进行分析，在分析中逐步学会对不合理的实验方案改进、优化和创新。
比较三种方案，改进的第三方案实验最为合理，这种方法的优点是：
（1）原理简单：物体在恒力作用下位移倍增实现功倍增原理简单易懂；
（2）操作性强：避免了重复操作；
（3）误差小：顺利的避开了摩擦力的影响，又无需考虑橡皮筋带来的麻烦。
3实验原理/设计思路
使平板上的小车在力的作用下由静止开始运动，运动过程受到摩擦力，但受到的外力是恒力。恒力做功的大小与位移成正比，因此当位移成倍增加时，外力对物体做的功也成倍增加，这样我们只要找到位移成倍变化时与速度变化的关系即可。
分析数据，找到运动的起始点O，该点的速度v=0.从距离O点较远的位置（大约35cm）取一点N，纸带对折3次，这样ON被等分成八段记下对折的位置并标记为1、2、3、4、5、6、7。恒力在每一段位移上做的功都是w。所以从O点起，在O1、O2、O3等各段上的功分别为w、2w、3w等我们得到了成倍增加的功。再求出纸带上对折点的速度。纸带上的均分线一般与打点计时器所打的点不重合，采用极限的思想，就利用很短时间内某点的瞬时速度近似等于该段时间的平均速度的原理，找一个打点计时器打出的离该点最近的点的速度代替该点的速度。
4教学目标
1.知识与技能：(1)理解实验中的探究思路、设计原理、操作技巧（重点）；（2）应用图像探究功和速度变化的关系（重点）。
2.过程与方法：（1）探知实验条件的方法，体验实验数据处理寻求物理量间的关系；（2）对给定的三种实验方案进行分析，在分析中学会对不合理的实验方案改进（难点）。
3.情感目标：（1）体会物理学的逻辑之美体会数理的巧妙结合；（2）培养严谨的科学态度和勇于创新的科学精神。
5教学内容
力对物体做功会改变它的动能，力对物体做功会改变它的速度。本节的实验力图通过“功”这个桥梁把动能与速度联系起来，探索它们之间的定量关系，为下节《动能和动能定理》做好铺垫。
6教学过程
【教学第一环节】课前活动
（一）通过微课提供三种实验方案
1.恒力作用下外力做功与物体速度变化的关系；
2.变力做功与物体速度变化的关系（倍增法）；
3.恒力作用下外力做功与物体速度变化的关系（倍增法）。
（二）课前任务分配
1.学生课前选择自己感兴趣的实验方案，完成课前学习任务，并小组组合；
2.练习利用Excel软件处理数据。
【教学第二环节】任务一、各组讨论交流介绍小组的实验方案。
探究方案一：由重物牵引小车做功，使小车获得速度。
1.实验原理
以平板上的小车为研究对象，使它在力的作用下由静止开始运动，改变力的大小，或者小车运动的距离，力对小车做的功也会改变，小车获得的速度就会不同，由此能够得到功与速度的几组数据。
2.实验器材
木板、小车、钩码、打点计时器、低压交流电源、纸带、刻度尺等。
3.实验步骤
①按实验要求安装好实验仪器如图。
②将安装有打点计时器的长木板的一端垫起，纸带穿过打点计时器，闭合电源，轻推小车，打点计时器在纸带上打出间隔均匀的点平衡摩擦后，在小车中放入砝码，把纸带连在小车后端，用细线连接小车和钩码；
③将小车停在打点计时器附近，接通电源，释放小车，小车拖动纸带，打点计时器在纸带上打下一系列点，断开开关；
④ 改变钩码的数量，更换纸带，重复②的操作;
⑤分析数据，用刻度尺测出纸带上某一点到起始点的距离作为小车运动的位移，由钩码的重力算出拉力对小车做的功（当钩码的个数逐渐增加时外力做的功就与钩码的个数成正比了）。再由匀变速直线运动公式求出该点的瞬时速度。
4.数据处理，尝试用Excel做v-w， v2-w等图像，探究w、v的关系。
探究方案二：拉伸的橡皮筋对小车做功（变力做功），使小车获得速度。
1.实验原理
实验装置如图所示，在只有橡皮条的弹力对小车做功过程中，弹力做的功w等于小车增加的动能。质量m的小车从静止开始运动，加速运动的末速度v。实验中可利用打点计时器测出小车匀速运动时的速
度，即可求出小车加速运动的末动能；选用若干完全相同的橡皮条，每一次每一条橡皮条形变量都相同，则每根橡皮条做功都相同，根据橡皮条的根数确定做功的情况（倍增法），即找到做功和速度变化的关系。
2.实验器材
木板、小车、橡皮筋（若干）、打点计时器、低压交流电源、纸带、刻度尺等。
3.实验步骤
①如图所示，按实验要求安装好实验仪器；
②平衡摩擦力；
③第一次先用一条橡皮筋做实验，用纸带测出小车获得的速度v1（匀速），设此时橡皮筋弹力对小车做功为w，并将数据记入表格；
④ 换用2条、3条、4条等同样的橡皮筋做实验，并将橡皮筋拉伸的长度都和第一次相同，测出v2、v3、v4等，橡皮筋对小车做功分别为2w、3w、4w等将数据记入表格中
4.数据处理，尝试用Excel做v-w， v2-w等图像，探究w、v的关系。
探究方案三：重物牵引小车做功，使小车获得速度（恒力做功倍增法）。
1.实验原理
使平板上的小车在力的作用下由静止开始运动，运动过程受到摩擦力，但受到的外力是恒力。恒力做功的大小与位移成正比，因此当位移成倍增加时，外力对物体做的功也成倍增加，这样我们只要找到位移成倍变化时与速度变化的关系即可。
2.实验器材
木板、小车、钩码、打点计时器、低压交流电源、纸带、刻度尺等。
3.实验步骤
①如图所示，按实验要求安装好实验仪器；
②在小车中放入砝码，把纸带连在小车后端，用细线连接小车和钩码；
③将小车停在打点计时器附近，接通电源，释放小车，小车拖动纸带，打点计时器在纸带上打下一系列点，断开开关；
④分析数据，找到运动的起始点O，该点的速度v=0.从距离O点较远的位置（大约35cm）取一点N，纸带对折3次，这样ON被等分成八段记下对折的位置并标记为1、2、3、4、5、6、7。恒力在每一段位移上做的功都是w。所以从O点起，在O1、O2、O3等各段上的功分别为w、2w、3w等我们得到了成倍增加的功。再求出纸带上对折点的速度。纸带上的均分线一般与打点计时器所打的点不重合，采用极限的思想，就利用很短时间内某点的瞬时速度近似等于该段时间的平均速度的原理，找一个打点计时器打出的离该点最近的点的速度代替该点的速度。
4.数据处理，尝试用Excel做v-w， v2-w等图像，探究w、v的关系。
【教学第三环节】任务二:各小组合理的分工，进行实验。
【教学第四环节】任务三:各小组数据分析、展示实验结论。
【教学第五环节】任务四:根据实验过程和结果，分析实验原理，选取最佳方案。
1.讨论实验优缺点：
（1）平衡摩擦力困难。方案一和方案二中需要平衡摩擦力，而平衡摩擦力难以做到理想、精准。方案三不需平衡摩擦力。
（2）橡皮筋难以控制。方案二中存在几根橡皮筋的规格很难做到一致；第二是双股“橡皮筋圈”的劲度系数太大，橡皮筋的根数到三时，小车的末速度就可能过大。并且学生操作起来很费劲；第三是橡皮筋在向前弹射小车是，很容易使小车的车尾上翘，车头的前端碰到板面，引起很大的误差。
（3）实验过程繁简不同。方案一和方案二都要多次重复实验，方案三只需一次实验就可以。
2.经改进的方案三实验最为合理，优点是：
（1）原理简单：物体在恒力作用下位移倍增实现功倍增原理简单易懂；
（2）操作性强：避免了重复实验，过程简单；
（3）误差小：顺利的避开了摩擦力的影响，又无需考虑橡皮筋带来的麻烦。
【教学第六环节】课外拓展实验
实验室中能提供的仪器有：一个速度传感器、一小滑块、一块长木板，请你根据本节课的学习利用提供的仪器重新设计实验探究做功和速度变化关系。
问题提示：
(1)我们是否需要测出滑块的质量m？
(2)怎样得到小滑块的速度，哪个力做功？
(3)若长木板做成斜面，让物体沿斜面下滑你是否得到什么启示?
7效果评价
1.学生的反馈是对探究功与速度变化的关系的原理有深刻体验；对实验方案的改进，有一些收获；对Excel软件处理实验数据，有极大的兴趣，还想探究课后拓展实验。不足是个别学生动手能力不强；个别小组Excel软件处理数据不熟练。
2.自我分析本节课能充分调动了学生的积极性；对探究性实验有了更深刻的认识；对实验可操作性、科学性方面进行了优化和改进。不足时对学生个体关注度还不够；还需进一步引导学生的创新思维。
视频来源：优质课网 www.youzhik.com
