《探究外力做功与物体动能变化的关系》教学设计

广州大学附属东江中学    赖晓辉

【教材分析】

根据课标要求本节教材创造性地采用了实验探究的方法定量地研究外力对物体做功与物体动能的变化关系，然后从理论上进行推导，最后归纳得出结论。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，是学习整章内容的重要的前期准备。 

【学情分析】

学生在本章的前2节内容中，已经初步树立了功是能量变化的量度的观念。那么，力对物体所做的功与物体动能的改变量间存在着什么关系呢？这是学生急待解决的问题。在实验室用这套装置来探究外力做功与物体动能变化间的关系，容易使学生产生新鲜感，进而产生探究的兴趣，符合学生的认知特点，开阔学生的视野，提高科学素养等方面都会产生积极的影响。

【教学目标】：

1、知识与技能

（1） 能设计并会利用实验进行探究物理规律。

（2） 能用学过的知识进行理论推导。

2、过程与方法

经历探究的主要环节，通过实验设计、观察实验现象、记录和处理实验数据，通过分析、比较、归纳得出实验结果，通过理论分析、推导与论证，得到外力做功与物体动能变化的关系，体会科学探究的方法。

3、情感、态度与价值观

（1） 通过实验与探究，培养学生的探究意识和动手实践能力。

（2） 经历讨论与交流，培养学生的语言表述能力和团结合作的学习精神。

（3） 通过理论应用，培养学生对知识的迁移和应用能力。

【教学重点】：实验方案的设计与筛选。

【教学难点】：通过对实验数据的分析得出功与物体动能变化的关系。

【教学资源】：分组用实验器材有电火花打点计时器、重锤、纸带、刻度尺等。

【教学手段】：分组实验。

【教学过程】：

一、预习提纲：

知识点复习：

前面两节学习了功的计算、动能、势能的知识，那么功与能究竟有怎样的联系呢？

问题设置：

1、自由落体运动物体的动能如何变化？其原因是什么？

2、自由落体运动的物体，重力所做的功与其动能的变化量有何关系？

3、你能否利用下面提供的器材设计一个实验来探究一下重力所做的功与动能的变化量的关系？提供的器材有：电火花式打点计时器、纸带、重锤、刻度尺。

4、如何设计实验？为什么这样设计？

5、需要测量和记录哪些数据？请设计一个记录实验数据的表格。

6、如何利用实验数据计算重力所做的功和动能的变化量？

7、如何正确处理实验数据？请设计一个数据处理结果的表格。

8、请发挥你的想象猜测一下实验的结果是什么？

二、课堂教学：

【教师】：播放视频1：自然界中能引起强烈震撼的体现动能能量的多媒体视频音像小片段（如龙卷风、雪崩、热带风暴等，这些资料可上网查找下载，也可由电视节目中录像得到）

播放视频2：足球世界杯赛中，足球运动员射门的情景。

播放视频3：奥运会射箭比赛中，拉开的弓把箭射出的情景。

提出问题：足球射门中，运动员射箭时，足球与箭的都获得了动能。据测算，足球射门时，其速度最大可达到100m/s左右，这些动能是从哪里来的？

（说明：先让学生回答后，教师进行适当地点拨指导。）

自由落体运动演示实验。指导学生关注观察对象，要求学生定性分析出合外力对物体做功，物体动能发生怎样的变化？

【教师】：外力的功会引起物体动能的变化。功与物体动能的变化量间又存在着什么关系呢？

【学生】……

【教师】:我们知道，物体的动能与它的速度是密切相关的，而物体速度的变化又与它所受力做的功有关。那么外力做的功与物体动能的变化间又存在着怎样的关系呢？

【学生】……

【教师】：探究外力做功与物体动能变化的关系时可以采用什么方法？

　（说明：教师引导学生认识到要探究外力做功与物体动能变化的关系，既可以从理论的层面进行逻辑推导的方法进行研究，也可以通过实验的方法进行探究。今天，我们通过实验的方法来探究外力做功与物体动能变化的关系。）

【教师】：我们应该采用什么实验方案进行探究呢？请同学们先设计一个合适的实验方案。

【学生】：几人一小组进行讨论交流初步提出一些实验方案。

【教师】：同学们提出了许多实验方案，我们应选用什么方案比较好呢？请同学们认真考虑一下，利用实验探究外力功与物体速度动能变化的关系时需要测量哪些物理量？ 

【学生】：测量力对物体所做的功及力对做了这个功后物体运动的速度。

【教师】：在实验探究中应如何对物体做功？又应该怎么表示每次做功的大小呢？

【学生】：分组讨论：（引导学生在讨论中明确）既可以考虑用恒力做功，也可以用变力做功。若用恒力做功，W=FS表示功的大小，并引导学生思考怎样在实验中具体地测出功。速度的测量可以用打点计时器对纸带处理计算得出。

【教师】：在设计实验方案时，要根据实验目的与现有的实验条件进行选择，当利弊共存时，要辩证地选择合适的方案，而不是一味地追求所谓的精确。教师总结学生设计的实验方案，引导和提示学生，为了研究方便，可以自由落体运动中的重力做功为例，研究重力所做的功与物体动能改变量之间的定量关系。

【实验探究】：重力对物体所做的功与物体动能的变化关系

1、提供的实验器材有：电火花式打点计时器、纸带、重锤、刻度尺。

2、请同学们根据已有的知识，结合提供的实验器材，在小组讨论的基础上，写出你们的实验方案。讨论时请围绕下列问题进行：

（1）如何设计实验方案。（最后抽一个组学生上台演示其实验操作过程）

【师生探讨】将打点计时器侧放于桌面上，使限位孔伸出桌面外，将夹有重锤的纸带从下向上穿过限位孔，用一手压住打点计时器，另一手提住纸带的上端，使纸带竖直，重锤紧靠在下边的限位孔处，先开启电源使打点计时器工作，然后放手使纸带在重锤的带动下自由下落，结果打点计时器在纸带上打下一系列点，利用打了点的纸带来计算重力所做的功与动能变化量的定量关系。

（2）如何计算重力所做的功和动能的变化量。

【师生探讨】：在打点好的纸带上取两个合适的点（如下图中纸带上的B点和E点），用刻度尺测出这两点间的距离，根据功的定义可知：，采用求平均速度的方法求出打点计时器打B、E两点时，重锤的速度v_B和v_E， 再根据动能的计算式计算打B、E两点时的动能及其动能的差值。

（3）需要测量和记录哪些实验数据：（实验后由学生用表格方式板书出来）

（4）如何设计记录数据的表格：（学生板书并填入实验记录的数据）

3、操作实验，测量和记录实验数据。

4、数据处理表格：（学生板书并填入数据处理结果）

5、处理实验数据，比较得出实验结论：

【学生】：通过数据处理可知：重力所做的功与物体动能的改变量在误差允许的范围内是相等的。

【教师】：现在我们用重力做功得出重力所做的功与物体动能的改变量在误差允许的范围内是相等的。我们能不能用牛顿第二定律来推导一下看其它力对物体做功这个结论是否成立。教师用幻灯片，显示用牛顿第二定律来推导动能定理的一些条件，抽学生代表上黑板推导。

【学生】：外力对物体做的功等于物体动能的变化。

【教师】结论的推广：合外力对物体所做的功等于物体动能的增量。即：

说明：上面的表达式是物理学中一个非常重要的定理——动能定理。

【教学反思】

粤教版普通高中课程标准实验教科书物理必修Ⅱ中引入“探究外力做功与物体动能变化的关系”内容的目的在于给学生增加探究体验的机会，提高学生理论联系实际的水平。但对教师来说，这是一节非常难以驾驭的内容，无论是教学设计，还是实验准备，都有相当的难度。尽管探究的目的非常明确，无非是为了得出功与物体动能变化的关系，明确探究实验的设计思路以及实验数据的记录与处理。但为什么要设计一个这样的实验？通过探究活动，学生在思维的发散与聚合的层次上、在分析考虑问题的能力上、在对已有知识进行分析与综合的水平上，将经历一些怎样的情感体验？会有一些什么收获？能够达到什么层次？所有的这些，都是教师在教学设计中应该认真考虑并进行积极突破的问题，也是非常棘手的问题。这节课，教师深感难以驾驭的就是如何引导学生进行积极的思考，使学生既能发挥好创造性思维，也能够围绕本节的重点把探究过程深入下去，并让学生在亲身经历实验探究的过程中获得情感的体验，产生能力层次的递进。这样的教学，才与新课改所倡导的探究发现、合作学习的理念相和谐，也跟高中生的心理特点和认知水平相吻合。但要真正达到探究的目的，关键还在于要确保实验的成功。这就需要教师积极开动脑筋，在刻意进行实验开发的基础上，积极引导学生围绕探究的目标，抓住探究过程中所要测定的物理量为中心，通过对实验方案的设计与选择、实验仪器的组装、实验数据的记录与分析的过程中，努力把学生的注意力吸引到分析解决问题上来，通过连续不断地向学生抛出一些逐层递进的问题，让学生在经历思考与讨论的过程中，在实验操作中获得真切的体验与感受。

本教学设计采用“问题—讨论—实验—归纳”的探究性教学模式，引导学生围绕本节课的重点内容通过“提出课题→实验设计→分组实验→数据处理→得出结论”的方式逐渐逼近问题的核心，最终求得了问题解决的方法，符合新课改倡导的“重视对学生进行自主、探究和合作学习能力培养”的理念，对活跃课堂气氛，激发学生的问题意识，提高学生分析问题和解决问题的能力来说都是很有意义的，也使师生的双边活动得以有效的开展，学生在学习中的主体地位得到了充分地发挥，学生的个性和能力也得以张扬，也使学生的创新意识和创新思维能力得到了训练和培养。但是，由于受到课堂教学时间和实验器材的限制，在组织学生进行探究活动的过程中，学生的自主活动还不能得到充分的保障，围绕课题研究而进行的发散性思维也无法更好地展开，从而使课堂活动的开放性程度受到了一定的制约。