《實驗：探究小車速度隨時間變化的規律》課堂實錄
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【摘要】實驗探究是物理學科的核心素養之一，實驗能力是物理科目高考要考查的五大能力之一。高中物理高考必考實驗是分組實驗，本實驗又是高中階段第一個實驗，雖內容少，但課堂中滲透著科學探究思想、運用數學圖像處理物理問題的思想，能培養學生尊重實驗事實的科學態度與責任;最后用傳感器的數字化實驗，對應新課標“信息技術要進入物理課堂”的要求。本文就本節實驗探究課以課堂實錄的形式，向大家展示實驗探究課的魅力。
【關鍵詞】實驗探究 科學素養 運用數學圖像處理物理問題的能力 數字化實驗
【中圖分類號】G633.7 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2019）21-0184-02
教學目標：
1.通過視頻引入與復習，體會物理來源于生活，服務于生活的作用，熟練使用打點計時器，記錄、研究物體的運動;
2.通過體驗實驗探究過程，認識科學探究的意義，體會用科學探究研究運動的方法，認識實驗和數學工具在物理學發展中的重要作用，提升交流、合作能力，養成實事求是的科學態度和責任;
3.經歷傳感器探究運動規律的過程，體會科技的強大力量，體會生活、科技中的物理，培養把物理應用于生活的意識。
教學重難點：實驗操作，獲取和處理實驗數據
活動一：引入與回顧思考
播放視頻：摩托車、汽車、飛機比賽
教師：視頻中，三者的速度都在變化。我們如何研究速度隨時間的變化規律呢？這節課，我們將利用實驗室的器材，借助打點計時器，研究“小車速度隨時間變化的關系”。為順利進行實驗，先回顧幾個問題（大屏幕依次展示復習的三個問題）：
1.使用打點計時器時，釋放紙帶與開啟電源的先后順序是什么？
設計意圖：復習打點計時器的基本使用方法。
2.右圖是實驗中打出的一條紙帶，如何選計時起點和計數點？相鄰計數點間的時間間隔是多少？用哪一段位移測計數點3的速度？如何測位移？如何計算計數點3的速度？
學生1：舍去開始密集的部分，把某一個清晰的點作為計時起點。然后每5個點選一個計數點。（學生回答，屏幕展示。）
設計意圖：
學生2：應該是計數點2、4之間的距離。
教師：你為什么選這一段？
學生2： 測小距離的讀書誤差相對較大。
教師表揚學生2考慮全面，尊重科學，能區分理論與實踐的差距，并會巧妙處理。
設計意圖：
學生3：不是，應該用尺子的零刻線對準計時起點0，一次性的讀出各點的位置坐標。測量時應該估讀到0.1mm。然后做差，計算出各段位移。（屏幕動畫展示測位移的過程，并用xn表示各點坐標）
設計意圖：計數點的選取是本次實驗成敗的關鍵，并讓學生理解，用平均速度代替瞬時速度時，時間間隔不是越小越好，距離的測量也會帶來誤差。如何科學的減小誤差是課程標準要求的科學探究素養中必備的技能之一，也是高考實驗能力重點考查的能力之一。
3.某次實驗中用打點計時器測量了某物體不同時刻的速度，試分析：用什么方法能形象描述速度大小隨時間變化的規律？（數據表格略）
學生5：畫v-t圖像。
教師：怎樣在這張給定的坐標紙上做v-t圖像？（屏幕出現一個有坐標軸的坐標紙表格）
學生一起：描點、連線
教師：請看坐標軸上，沒有標度，怎么描點？
學生一起：先選標度。
設計意圖：復習做圖方法，為處理實驗數據做準備。
活動二：實驗探究
一、實驗原理與器材：
教師：下面，我們就用這種實驗方法探究小車在重物牽引下運動時，小車速度隨時間變化的規律。（板書研究課題）
?。ǘ嗝襟w展示：實驗原理圖，利用紙帶計算速度的公式，做 v-t 圖像，探究速度隨時間變化的規律。）
設計意圖：直接利用復習內容進入實驗，使過渡自然、流暢，既簡化了實驗原理的講解分析，又強調了實驗目的。
二、實驗操作及數據處理
教師：下面，組長負責合理分工，開始實驗。（每小組三條紙帶）
學生操作實驗：（1）安裝器材;（2）在3條紙帶上打點;（3）在一條清晰的紙帶上選擇計數點，一次性測量各計數點的刻度值，計算各計數點的速度，將數據填入表格;（4）依據數據做v-t圖像。
教師巡視各組的實驗情況，及時與學生交流，指導學生實驗，同時，記錄出現的典型問題（在后面對應環節中分析）
突發狀況：教師巡視中發現，某小組的打點計時器在紙帶上打出的點總是不在一條直線上，我及時為其更換，并安慰學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。
設計意圖：培養學生的實驗探究素養;培養學生交流與合作的團隊意識，培養學生融入社會的能力;教師注重課堂生成：尋找學生實驗中出現的典型問題，為后面的交流探討準備材料。
三、交流探討數據處理的合理性
方法：借助實物投影，教師將同學們出現的問題歸類，并與正確的圖像對比分析，引導學生找出問題，并修正自己的圖像。
設計意圖：培養學生的觀察能力與辨析能力，培養學生的批判精神。
學生出現的問題：
問題1：袖珍型圖像：標度太小，圖像只占據了坐標紙很小的一部分面積（三分之一或二分之一）。
教師：這樣的圖像在描點連線時有什么問題？
學生6：在坐標紙上找點時的誤差大，描出的線誤差也大。
問題2：星座型圖像：直接將各相鄰兩點用直線相連，圖像為折線。（重點討論）
教師：看變化規律，用折線不行嗎？學生不好回答。 教師（繼續引導）：請大家參照學案的溫馨提示（6）。（學生積極學習后，教師繼續強調）初中時，減小實驗誤差的方法是多次測量取平均值。現在，圖像法是減小實驗誤差更高級的辦法。描點后，觀察數據點的分布趨向（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、細鉛筆畫一條直線）使盡量多的點在線上，不在線上的點要均勻分布在線的兩側，離線較遠的點，誤差太大，舍去。
（利用實物投影，現場對應一張原來是折線的圖像分析：這六個點大致落在一條直線上，應該畫一條直線，教師及時示范給學生如何畫直線。）
問題3：粗重型圖像：點大、線粗。
教師：點大、線粗，清晰厚重，不好嗎？
學生7：誤差大。不能精確確定數據點的位置，也不能準確找到某一時刻的速度值，做出的圖像誤差太大。
問題4（重點討論）：0出發型圖像：圖像過原點。
教師：這張圖把前面三個問題處理得很好，整體是不是很合理了？請參照本組紙帶0計數點的選取。
學生8（思考后）：不合理，不應該過原點，因為零時刻小車有速度。（此時，大部分學生看自己小組的紙帶）
教師：回答非常正確，感謝你尊重了實驗事實。（再面向全班）祖國的建設早晚要交給你們，所以，以后搞科研的你們，一定要尊重實驗事實，不能想當然！
問題5：不著“天地”型圖像：直線下方不與縱軸相交，上方沒有延長。
教師：大家看這張，直線做得很好。但零時刻小車的速度沒有找到。怎樣找到零時刻時小車的速度？
學生9：將直線向縱軸方向延長，與縱軸的交點讀數就是小車零時刻的速度。
教師（強調）：除零時刻外，從0.1s開始，小車的速度變化在v-t圖像上是直線。（老師邊說邊比劃），所以，將直線向縱軸延長，與縱軸的交點讀數就是小車零時刻的速度（借助投影儀，用細鉛筆、直尺，邊說邊畫圖）。同時，請大家根據以上交流，修正自己的v-t圖像，并體會一下作圖的收獲。（學生更改自己的圖像并反思。）
設計意圖：培養學生的觀察能力，以及尊重實驗數據和實驗事實的科學態度、精神，提升學生嚴謹的科學素養，從而培養學生利用數學圖像科學描述物理現象的能力，提高學生的圖像素養，引導學生攻克薄弱實驗技能。
四、歸納總結
教師：（借助實物投影的一張學生的v-t圖像，修改正確的）分別提出以下問題：
（1）每個0.1s內，速度的增加量相等嗎？
少部分學生：相等。
教師：（等學生回答完，教師現場做輔助線，標注出平行線的同位角，構成相似三角形，將速度增加量標在對應位置。再回頭看學生）相等嗎？（學生集體回答相等。）
?。?）每個0.05s內，速度的增加量相等嗎？
學生們稍加停頓后大聲回答：相等。
?。?）每個0.2s內，速度的增加量相等嗎？（學生集體回答相等。）
?。?）在任意相等時間內，速度的增加量相等嗎？（學生集體回答相等。）
?。?）小車速度隨時間怎樣增大？
所有學生：均勻增大
?。▽W生回答后，板書結論：小車速度隨時間均勻增加。）
請看前面，我們根據圖像的走向找到0時刻小車速度的方法科 學合理嗎？
學生：合理。
設計意圖：培養學生利用圖像獲取信息的能力，學習分析、歸納規律的科學方法;體會圖像能形象直觀展現規律的特點;體驗數學圖像在研究物理問題中的重要作用。
五、誤差分析
教師：經過前面一系列過程，我們得到了小車的運動規律。請看剛才我們分析的這個v-t圖像，有的實驗數據點不在直線上，為什么？
學生一起：有誤差。
教師：請回憶整個實驗的過程（打點、選點、測刻度、計算速度、描點連線），你認為在哪些環節中可能產生誤差？怎樣操作可以減小誤差？
學生10：有測量誤差，讀數誤差，計算誤差，描點連線的做圖像誤差。
?。〒Q打點計時器的那組）學生11：打點不穩定帶來誤差。
教師：電壓不穩定也會帶來打點誤差。
?。ㄒ陨线^程中，邊討論邊板書）
設計意圖： 培養學生分析誤差、減小誤差的實驗能力和嚴謹的科學態度、科學精神。
六、完善實驗結論
教師：既然有誤差，我們得到的科學合理的實驗結論應該是什么？
學生12：在誤差允許范圍內，小車的速度隨時間均勻增加。（教師板書結論）
設計意圖：培養學生嚴謹的科學精神，培養學生用物理語言闡述物理問題、歸納物理規律的能力。
七、數字傳感器實驗
教師：前面用打點計時器找到了小車速度的變化規律，其中的數據采集、處理過程比較麻煩?，F在，我這里有更先進的速度傳感器可以自動測量小車速度隨時間變化的數據，并傳輸到電腦上。并依據相應軟件自動生成速度—時間圖像。
教師簡單介紹儀器?，F場設計數據采集器、軟件的對應條件，請三位同學現場操作傳感器實驗。（學生操作略，電腦的速度—時間坐標系內留下了很多數據點）
教師：（利用傳感器、電腦、實物投影，現場選取有效數據點）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據點。（用鼠標在電腦上選?。?
用電腦軟件處理數據，擬合得到圖像。分析：也得到了一條不過原點的傾斜直線，與實驗結論一致。這也說明，我們前面的實驗操作是成功的，結論是正確的。另外，公路上測超速的原理也是數字化的。
設計意圖：使學生體驗現代高科技帶來的更科學、操作更方便的數字化實驗儀器，并聯系公路上的測速原理，讓學生更進一步理解生活中有物理，物理又服務于生活的道理，激發學生學習物理的積極性。
活動三：課堂小結與作業布置
教師：這節課我們用實驗探究了小車速度隨時間變化的規律。請回憶：我們用什么方法處理了數據并歸納出規律？
學生：v-t圖像法。
教師：做v-t圖像時，要在選標度、描點、擬合連線等方面減小做圖誤差。課下，大家根據今天的分析查進一步找自己實驗中的問題，完善實驗數據處理，整理完成實驗報告。整理實驗器材，下課。
設計意圖：培養學生及時反思、尊重事實的科學品質，使學生體驗實驗在研究物體運動規律中的作用，體會數學工具在物理學中不可替代的作用。
板書設計：
第二節
實驗：探究小車速度隨時間變化的規律
設計意圖：使學生明白，為了得到準確的實驗結論，實驗過程、誤差分析都很重要;提高學生的實驗探究素養和實驗能力，培養學生尊重實驗事實的科學態度與責任。
教后反思：這是筆者在山東省實驗優質課獲得一等獎的課堂實錄。課后，筆者認為，在交流實驗數據處理、做圖像的階段，可以設計出有效問題，讓學生自己討論交流后匯報，實現真正的還課堂與學生。在以后的教學中，我會時刻提醒自己，通過巧妙設計，體現學生的主體地位，實現潤澤的課堂。
參考文獻：
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[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中心.普通高中課程標準實驗教科書物理必修1[M].北京：人民教育出版社，2008
[3]陳衛國.“數字化實驗與傳統實驗”融合的思考——以“測定電池的電動勢和內阻實驗”為例[J].中學物理，2017.10：35-36
作者簡介：
張紅香（1976-），女，山東省惠民縣人，大學本科學歷，中學一級教師，研究方向：高中物理教學。
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