《實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律》課堂實(shí)錄

【摘要】實(shí)驗(yàn)探究是物理學(xué)科的核心素養(yǎng)之一，實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ俏锢砜颇扛呖家疾榈奈宕竽芰χ?。高中物理高考必考?shí)驗(yàn)是分組實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)又是高中階段第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，雖內(nèi)容少，但課堂中滲透著科學(xué)探究思想、運(yùn)用數(shù)學(xué)圖像處理物理問題的思想，能培養(yǎng)學(xué)生尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任;最后用傳感器的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)新課標(biāo)“信息技術(shù)要進(jìn)入物理課堂”的要求。本文就本節(jié)實(shí)驗(yàn)探究課以課堂實(shí)錄的形式，向大家展示實(shí)驗(yàn)探究課的魅力。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)探究? 科學(xué)素養(yǎng)? 運(yùn)用數(shù)學(xué)圖像處理物理問題的能力? 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

【中圖分類號(hào)】G633.7 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2019）21-0184-02

教學(xué)目標(biāo)：

1.通過視頻引入與復(fù)習(xí)，體會(huì)物理來(lái)源于生活，服務(wù)于生活的作用，熟練使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，記錄、研究物體的運(yùn)動(dòng);

2.通過體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究過程，認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的意義，體會(huì)用科學(xué)探究研究運(yùn)動(dòng)的方法，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)工具在物理學(xué)發(fā)展中的重要作用，提升交流、合作能力，養(yǎng)成實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任;

3.經(jīng)歷傳感器探究運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過程，體會(huì)科技的強(qiáng)大力量，體會(huì)生活、科技中的物理，培養(yǎng)把物理應(yīng)用于生活的意識(shí)。

教學(xué)重難點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)操作，獲取和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

活動(dòng)一：引入與回顧思考

播放視頻：摩托車、汽車、飛機(jī)比賽

教師：視頻中，三者的速度都在變化。我們?nèi)绾窝芯克俣入S時(shí)間的變化規(guī)律呢？這節(jié)課，我們將利用實(shí)驗(yàn)室的器材，借助打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，研究“小車速度隨時(shí)間變化的關(guān)系”。為順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，先回顧幾個(gè)問題（大屏幕依次展示復(fù)習(xí)的三個(gè)問題）：

1.使用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器時(shí)，釋放紙帶與開啟電源的先后順序是什么？

設(shè)計(jì)意圖：復(fù)習(xí)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的基本使用方法。

2.右圖是實(shí)驗(yàn)中打出的一條紙帶，如何選計(jì)時(shí)起點(diǎn)和計(jì)數(shù)點(diǎn)？相鄰計(jì)數(shù)點(diǎn)間的時(shí)間間隔是多少？用哪一段位移測(cè)計(jì)數(shù)點(diǎn)3的速度？如何測(cè)位移？如何計(jì)算計(jì)數(shù)點(diǎn)3的速度？

學(xué)生1：舍去開始密集的部分，把某一個(gè)清晰的點(diǎn)作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)。然后每5個(gè)點(diǎn)選一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)。（學(xué)生回答，屏幕展示。）

設(shè)計(jì)意圖：

學(xué)生2：應(yīng)該是計(jì)數(shù)點(diǎn)2、4之間的距離。

教師：你為什么選這一段？

學(xué)生2： 測(cè)小距離的讀書誤差相對(duì)較大。

教師表?yè)P(yáng)學(xué)生2考慮全面，尊重科學(xué)，能區(qū)分理論與實(shí)踐的差距，并會(huì)巧妙處理。

設(shè)計(jì)意圖：

學(xué)生3：不是，應(yīng)該用尺子的零刻線對(duì)準(zhǔn)計(jì)時(shí)起點(diǎn)0，一次性的讀出各點(diǎn)的位置坐標(biāo)。測(cè)量時(shí)應(yīng)該估讀到0.1mm。然后做差，計(jì)算出各段位移。（屏幕動(dòng)畫展示測(cè)位移的過程，并用xn表示各點(diǎn)坐標(biāo)）

設(shè)計(jì)意圖：計(jì)數(shù)點(diǎn)的選取是本次實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵，并讓學(xué)生理解，用平均速度代替瞬時(shí)速度時(shí)，時(shí)間間隔不是越小越好，距離的測(cè)量也會(huì)帶來(lái)誤差。如何科學(xué)的減小誤差是課程標(biāo)準(zhǔn)要求的科學(xué)探究素養(yǎng)中必備的技能之一，也是高考實(shí)驗(yàn)?zāi)芰χ攸c(diǎn)考查的能力之一。

3.某次實(shí)驗(yàn)中用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量了某物體不同時(shí)刻的速度，試分析：用什么方法能形象描述速度大小隨時(shí)間變化的規(guī)律？（數(shù)據(jù)表格略）

學(xué)生5：畫v-t圖像。

教師：怎樣在這張給定的坐標(biāo)紙上做v-t圖像？（屏幕出現(xiàn)一個(gè)有坐標(biāo)軸的坐標(biāo)紙表格）

學(xué)生一起：描點(diǎn)、連線

教師：請(qǐng)看坐標(biāo)軸上，沒有標(biāo)度，怎么描點(diǎn)？

學(xué)生一起：先選標(biāo)度。

設(shè)計(jì)意圖：復(fù)習(xí)做圖方法，為處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。

活動(dòng)二：實(shí)驗(yàn)探究

一、實(shí)驗(yàn)原理與器材：

教師：下面，我們就用這種實(shí)驗(yàn)方法探究小車在重物牽引下運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。（板書研究課題）

（多媒體展示：實(shí)驗(yàn)原理圖，利用紙帶計(jì)算速度的公式，做 v-t 圖像，探究速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。）

設(shè)計(jì)意圖：直接利用復(fù)習(xí)內(nèi)容進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，使過渡自然、流暢，既簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)原理的講解分析，又強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

二、實(shí)驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)處理

教師：下面，組長(zhǎng)負(fù)責(zé)合理分工，開始實(shí)驗(yàn)。（每小組三條紙帶）

學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)：（1）安裝器材;（2）在3條紙帶上打點(diǎn);（3）在一條清晰的紙帶上選擇計(jì)數(shù)點(diǎn)，一次性測(cè)量各計(jì)數(shù)點(diǎn)的刻度值，計(jì)算各計(jì)數(shù)點(diǎn)的速度，將數(shù)據(jù)填入表格;（4）依據(jù)數(shù)據(jù)做v-t圖像。

教師巡視各組的實(shí)驗(yàn)情況，及時(shí)與學(xué)生交流，指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，記錄出現(xiàn)的典型問題（在后面對(duì)應(yīng)環(huán)節(jié)中分析）

突發(fā)狀況：教師巡視中發(fā)現(xiàn)，某小組的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打出的點(diǎn)總是不在一條直線上，我及時(shí)為其更換，并安慰學(xué)生只要做出一條好的紙帶就可以直接用，不用打三條紙帶了。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng);培養(yǎng)學(xué)生交流與合作的團(tuán)隊(duì)意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生融入社會(huì)的能力;教師注重課堂生成：尋找學(xué)生實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的典型問題，為后面的交流探討準(zhǔn)備材料。

三、交流探討數(shù)據(jù)處理的合理性

方法：借助實(shí)物投影，教師將同學(xué)們出現(xiàn)的問題歸類，并與正確的圖像對(duì)比分析，引導(dǎo)學(xué)生找出問題，并修正自己的圖像。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力與辨析能力，培養(yǎng)學(xué)生的批判精神。

學(xué)生出現(xiàn)的問題：

問題1：袖珍型圖像：標(biāo)度太小，圖像只占據(jù)了坐標(biāo)紙很小的一部分面積（三分之一或二分之一）。

教師：這樣的圖像在描點(diǎn)連線時(shí)有什么問題？

學(xué)生6：在坐標(biāo)紙上找點(diǎn)時(shí)的誤差大，描出的線誤差也大。

問題2：星座型圖像：直接將各相鄰兩點(diǎn)用直線相連，圖像為折線。（重點(diǎn)討論）

教師：看變化規(guī)律，用折線不行嗎？學(xué)生不好回答。

教師（繼續(xù)引導(dǎo)）：請(qǐng)大家參照學(xué)案的溫馨提示（6）。（學(xué)生積極學(xué)習(xí)后，教師繼續(xù)強(qiáng)調(diào)）初中時(shí)，減小實(shí)驗(yàn)誤差的方法是多次測(cè)量取平均值?，F(xiàn)在，圖像法是減小實(shí)驗(yàn)誤差更高級(jí)的辦法。描點(diǎn)后，觀察數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布趨向（若趨向是曲線，就畫一條平滑的曲線;若趨向直線，就用透明直尺、細(xì)鉛筆畫一條直線）使盡量多的點(diǎn)在線上，不在線上的點(diǎn)要均勻分布在線的兩側(cè)，離線較遠(yuǎn)的點(diǎn)，誤差太大，舍去。

（利用實(shí)物投影，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)應(yīng)一張?jiān)瓉?lái)是折線的圖像分析：這六個(gè)點(diǎn)大致落在一條直線上，應(yīng)該畫一條直線，教師及時(shí)示范給學(xué)生如何畫直線。）

問題3：粗重型圖像：點(diǎn)大、線粗。

教師：點(diǎn)大、線粗，清晰厚重，不好嗎？

學(xué)生7：誤差大。不能精確確定數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置，也不能準(zhǔn)確找到某一時(shí)刻的速度值，做出的圖像誤差太大。

問題4（重點(diǎn)討論）：0出發(fā)型圖像：圖像過原點(diǎn)。

教師：這張圖把前面三個(gè)問題處理得很好，整體是不是很合理了？請(qǐng)參照本組紙帶0計(jì)數(shù)點(diǎn)的選取。

學(xué)生8（思考后）：不合理，不應(yīng)該過原點(diǎn)，因?yàn)榱銜r(shí)刻小車有速度。（此時(shí)，大部分學(xué)生看自己小組的紙帶）

教師：回答非常正確，感謝你尊重了實(shí)驗(yàn)事實(shí)。（再面向全班）祖國(guó)的建設(shè)早晚要交給你們，所以，以后搞科研的你們，一定要尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)，不能想當(dāng)然！

問題5：不著“天地”型圖像：直線下方不與縱軸相交，上方?jīng)]有延長(zhǎng)。

教師：大家看這張，直線做得很好。但零時(shí)刻小車的速度沒有找到。怎樣找到零時(shí)刻時(shí)小車的速度？

學(xué)生9：將直線向縱軸方向延長(zhǎng)，與縱軸的交點(diǎn)讀數(shù)就是小車零時(shí)刻的速度。

教師（強(qiáng)調(diào)）：除零時(shí)刻外，從0.1s開始，小車的速度變化在v-t圖像上是直線。（老師邊說(shuō)邊比劃），所以，將直線向縱軸延長(zhǎng)，與縱軸的交點(diǎn)讀數(shù)就是小車零時(shí)刻的速度（借助投影儀，用細(xì)鉛筆、直尺，邊說(shuō)邊畫圖）。同時(shí)，請(qǐng)大家根據(jù)以上交流，修正自己的v-t圖像，并體會(huì)一下作圖的收獲。（學(xué)生更改自己的圖像并反思。）

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，以及尊重實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度、精神，提升學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)素養(yǎng)，從而培養(yǎng)學(xué)生利用數(shù)學(xué)圖像科學(xué)描述物理現(xiàn)象的能力，提高學(xué)生的圖像素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生攻克薄弱實(shí)驗(yàn)技能。

四、歸納總結(jié)

教師：（借助實(shí)物投影的一張學(xué)生的v-t圖像，修改正確的）分別提出以下問題：

（1）每個(gè)0.1s內(nèi)，速度的增加量相等嗎？

少部分學(xué)生：相等。

教師：（等學(xué)生回答完，教師現(xiàn)場(chǎng)做輔助線，標(biāo)注出平行線的同位角，構(gòu)成相似三角形，將速度增加量標(biāo)在對(duì)應(yīng)位置。再回頭看學(xué)生）相等嗎？（學(xué)生集體回答相等。）

（2）每個(gè)0.05s內(nèi)，速度的增加量相等嗎？

學(xué)生們稍加停頓后大聲回答：相等。

（3）每個(gè)0.2s內(nèi)，速度的增加量相等嗎？（學(xué)生集體回答相等。）

（4）在任意相等時(shí)間內(nèi)，速度的增加量相等嗎？（學(xué)生集體回答相等。）

（5）小車速度隨時(shí)間怎樣增大？

所有學(xué)生：均勻增大

（學(xué)生回答后，板書結(jié)論：小車速度隨時(shí)間均勻增加。）

請(qǐng)看前面，我們根據(jù)圖像的走向找到0時(shí)刻小車速度的方法科 學(xué)合理嗎？

學(xué)生：合理。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生利用圖像獲取信息的能力，學(xué)習(xí)分析、歸納規(guī)律的科學(xué)方法;體會(huì)圖像能形象直觀展現(xiàn)規(guī)律的特點(diǎn);體驗(yàn)數(shù)學(xué)圖像在研究物理問題中的重要作用。

五、誤差分析

教師：經(jīng)過前面一系列過程，我們得到了小車的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。請(qǐng)看剛才我們分析的這個(gè)v-t圖像，有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)不在直線上，為什么？

學(xué)生一起：有誤差。

教師：請(qǐng)回憶整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程（打點(diǎn)、選點(diǎn)、測(cè)刻度、計(jì)算速度、描點(diǎn)連線），你認(rèn)為在哪些環(huán)節(jié)中可能產(chǎn)生誤差？怎樣操作可以減小誤差？

學(xué)生10：有測(cè)量誤差，讀數(shù)誤差，計(jì)算誤差，描點(diǎn)連線的做圖像誤差。

（換打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的那組）學(xué)生11：打點(diǎn)不穩(wěn)定帶來(lái)誤差。

教師：電壓不穩(wěn)定也會(huì)帶來(lái)打點(diǎn)誤差。

（以上過程中，邊討論邊板書）

設(shè)計(jì)意圖： 培養(yǎng)學(xué)生分析誤差、減小誤差的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛧?yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、科學(xué)精神。

六、完善實(shí)驗(yàn)結(jié)論

教師：既然有誤差，我們得到的科學(xué)合理的實(shí)驗(yàn)結(jié)論應(yīng)該是什么？

學(xué)生12：在誤差允許范圍內(nèi)，小車的速度隨時(shí)間均勻增加。（教師板書結(jié)論）

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神，培養(yǎng)學(xué)生用物理語(yǔ)言闡述物理問題、歸納物理規(guī)律的能力。

七、數(shù)字傳感器實(shí)驗(yàn)

教師：前面用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器找到了小車速度的變化規(guī)律，其中的數(shù)據(jù)采集、處理過程比較麻煩?，F(xiàn)在，我這里有更先進(jìn)的速度傳感器可以自動(dòng)測(cè)量小車速度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)诫娔X上。并依據(jù)相應(yīng)軟件自動(dòng)生成速度—時(shí)間圖像。

教師簡(jiǎn)單介紹儀器。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集器、軟件的對(duì)應(yīng)條件，請(qǐng)三位同學(xué)現(xiàn)場(chǎng)操作傳感器實(shí)驗(yàn)。（學(xué)生操作略，電腦的速度—時(shí)間坐標(biāo)系內(nèi)留下了很多數(shù)據(jù)點(diǎn)）

教師：（利用傳感器、電腦、實(shí)物投影，現(xiàn)場(chǎng)選取有效數(shù)據(jù)點(diǎn)）舍去小車沒完全釋放的階段，舍去小車碰撞彈簧的階段，中間這段才是有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。（用鼠標(biāo)在電腦上選取）

用電腦軟件處理數(shù)據(jù)，擬合得到圖像。分析：也得到了一條不過原點(diǎn)的傾斜直線，與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。這也說(shuō)明，我們前面的實(shí)驗(yàn)操作是成功的，結(jié)論是正確的。另外，公路上測(cè)超速的原理也是數(shù)字化的。

設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生體驗(yàn)現(xiàn)代高科技帶來(lái)的更科學(xué)、操作更方便的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器，并聯(lián)系公路上的測(cè)速原理，讓學(xué)生更進(jìn)一步理解生活中有物理，物理又服務(wù)于生活的道理，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性。

活動(dòng)三：課堂小結(jié)與作業(yè)布置

教師：這節(jié)課我們用實(shí)驗(yàn)探究了小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律。請(qǐng)回憶：我們用什么方法處理了數(shù)據(jù)并歸納出規(guī)律？

學(xué)生：v-t圖像法。

教師：做v-t圖像時(shí)，要在選標(biāo)度、描點(diǎn)、擬合連線等方面減小做圖誤差。課下，大家根據(jù)今天的分析查進(jìn)一步找自己實(shí)驗(yàn)中的問題，完善實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，整理完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。整理實(shí)驗(yàn)器材，下課。

設(shè)計(jì)意圖：培養(yǎng)學(xué)生及時(shí)反思、尊重事實(shí)的科學(xué)品質(zhì)，使學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)在研究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律中的作用，體會(huì)數(shù)學(xué)工具在物理學(xué)中不可替代的作用。

板書設(shè)計(jì)：

第二節(jié)

實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律

設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生明白，為了得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，實(shí)驗(yàn)過程、誤差分析都很重要;提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，培養(yǎng)學(xué)生尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

教后反思：這是筆者在山東省實(shí)驗(yàn)優(yōu)質(zhì)課獲得一等獎(jiǎng)的課堂實(shí)錄。課后，筆者認(rèn)為，在交流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、做圖像的階段，可以設(shè)計(jì)出有效問題，讓學(xué)生自己討論交流后匯報(bào)，實(shí)現(xiàn)真正的還課堂與學(xué)生。在以后的教學(xué)中，我會(huì)時(shí)刻提醒自己，通過巧妙設(shè)計(jì)，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，實(shí)現(xiàn)潤(rùn)澤的課堂。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民教育出版社，2018.1

[2]人民教育出版社 課程教材研究所 物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2008

[3]陳衛(wèi)國(guó).“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)”融合的思考——以“測(cè)定電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)”為例[J].中學(xué)物理，2017.10：35-36

作者簡(jiǎn)介：

張紅香（1976-），女，山東省惠民縣人，大學(xué)本科學(xué)歷，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：高中物理教學(xué)。