实验探究平抛运动的规律 李巍.doc

实验探究平抛运动的规律 教学设计江苏省高邮中学 李巍 225600一、教学背景平抛运动相关知识在初中不曾出现过，是高中物理必修2曲线运动章节中的十分重要的一节，平抛运动也是物理学中的一种很重要的理想化模型。本节课是在必修1中已详细介绍了直线运动的相关知识的基础上引入的，本章前面关于“曲线运动”和“运动的合成和分解”的教学内容也为本节的学习奠定了学习基础。本节内容是通过实验探究平抛运动的规律，它既是前面“运动的合成和分解”方法的具体实践应用，也是后面抛体运动的规律得出的前提，更是学生自主设计、探索的好素材，在本章中有着重要的地位，也为今后处理类平抛运动及带电粒子在电场中的偏转提供了方法，承上启下，具有十分重要的意义。新课程标准要求学生会用合成与分解的方法分析抛体运动；能分别以水平方向和竖起方向作为横坐标和纵坐标，描绘物体做抛体运动的轨迹。教学指导意见要求学生知道平抛运动的受力特点；知道用实验方法得到平抛运动轨迹的方法；理解确定平抛运动在水平方向做匀速直线运动、竖直方向做自由落体运动；知道水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的独立性和同时性；体会研究曲线运动的基本方法。二、教学思想本节课充分发挥互联网的功能，在互联网上积极寻找有效教学资源：图片、视频和课件动画。综合利用这些资源把平抛运动的教学具体化、形象化、趣味化，激发学生学习探究的热情。本节课是以实验设计和实验操作为主的探究教学，它改变了以往的传统教学方式。根据探究教学的相关理论、物理新课程标准的基本理念、科学探究及物理实验的基本能力要求来进行教学设计。本节课的教学过程力求符合物理新课程的标准，主要采用探究式的教学方法，引导学生通过实验探究形成对抛体运动的认识；让学生在认识平抛运动规律的同时，也能够体验科学探究的过程，了解科学探究的方法，培养实验探究能力和交流协作能力。三、学情分析通过前面的学习，学生已经知道了曲线运动的知识、运动的合成与分解所遵循的规律；知道了运动的合成与分解是处理曲线运动的基本方法；为“平抛运动”的学习做好了准备。在高一前面的学习中学生经过多次观察实验、独立完成实验、和探究实验过程，已经具备了初步的实验设计能力和实验操作能力；。通过本章前面内容的学习，学生逐步将目光由一维情景转向二维情景，由直线运动过渡到平面运动；但接受新知识需要一个适应过程，需要耐心引导。学生的探究能力、逻辑思维和分析能力还不够成熟，需要合理的指导。学生可能还不能够结合学校现有的实验条件设计出合理可行的“探究平抛运动”的实验和流程。部分学生对数码相机的使用和功能还不够熟悉，用数码相机来研究物体的运动比较陌生。学生在探究过程中可能会采取分组讨论、求帮教师、实验探索、总结反思等学习策略。可以根据学生实际情况进行指导。四、教学目标1知识与技能（1）知道什么是平抛运动；（2）知道平抛运动的受力特点；（3）理解平抛运动在水平方向做匀速直线运动和在竖直方向做自由落体运动；（4）知道用描点的方法得到平抛运动轨迹；（5）会用数码相机来研究物体的运动；（6）知道利用平抛运动轨迹来分析平抛运动的规律。2过程与方法（1）通过设计实验来探究抛运动在水平方向和在竖直方向的运动规律，培养学生的实验设计能力；（2）通过对平抛轨迹的分析，培养学生数据分析与处理能力；（3）经历实验探究过程，发现规律，让学生体验科学探究的过程，认识科学探究的意义；（4）通过分组实验培养学生之间、师生之间的交流、合作能力。3情感态度与价值观（1）通过展示生活和生产中平抛运动的例子，使学生认识到平抛运动的普遍性，同时认识到物理知识的社会价值；（2）通过设计探究实验，激发学生的探究的兴趣与热情；引导学生感受探索自然规律的艰辛与喜悦；培养学生主动与他人合作的精神。五、教学重点和难点1教学重点：理解平抛运动在水平方向是匀速直线运动和在竖直方向是自由落体运动。 2教学难点：研究平抛运动在水平方向和竖直方向运动规律的实验探索过程。六、教学方法和手段1教学方法：运用物理“科学探究”教学模式实施教学。2教学手段：实验、多媒体辅助。七、课前准备1学生复习运动的合成与分解知识；2教师准备好实验器材和多媒体课件（从互联网上获得）；3教学用具：平抛运动和自由落体运动对比演示仪一套，平抛运动描轨迹演示仪、平抛运动水流演示仪和平抛运动数码拍摄仪器各四套；多媒体课件。八、教学过程1引入新课：结合生活、生产实际和多媒体课件（1）通过互联网下载、挑选相关的图片视频材料，通过视频、图片展示生活、生产中的抛体现象，展示抛体现象的普遍性。图片：大坝泄洪 柯受良飞越黄河 视频：运动员推铅球 飞机空投物资说明：通过图片、视频等多种方式直观的展示了平抛运动的特点，使抽象的运动更为直接明了，为学生进一步的探究分析提供感官体验（2）通过对比实验，揭示平抛运动的受力特点【实验】如图所示，在讲台的边缘同步把一个金属球和一个松软的纸团推出，引导学生观察它们运动情况的差异。手持挡板把两个不同材质的小球同步从桌边推出【问题】两次实验产生差异的原因是什么？为何几乎以相同速度推出，纸团比金属球抛得近的多？【分析】引导学生分析空气阻力对纸团的影响比对金属球的影响大。【总结】实际存在的空气阻力使抛体运动变得十分复杂，高中物理学中根据从简单到复杂的原则，建立一个新的理想物理模型：将物体水平抛出，物体只在重力作用下的运动，即平抛运动。即平抛运动就是一种只受重力的、匀变速的、加速度恒定的曲线运动。说明：建立平抛运动的理想化模型有利于学生简化问题，抓住事物的主要方面。（3）通过学生互动课件，引导学生分析平抛运动水平方向和竖直方向运动的特点【课件】展示Flash有声动画：在屏幕右上方事先设置好三个参数：飞机水平匀速飞行速度v机，海面上敌船匀速航行速度v船，飞机离海平面高度h。【问题】当飞机在敌船正上方投弹时，能否击中敌船?【讨论】有些学生说能，有些说不能。在课件中展示，发现不能！【问题】如何调整战术，可以让炸弹正中目标？【讨论】学生可能提出：提前投弹、滞后投弹等方案【展示】学生热情高涨，踊跃举手，教师把多媒体电脑的无线鼠标传给一座位上的学生，学生连续操作几次，终于利用提前投弹方案完成了任务。【总结】做个飞行员不容易，投弹要百发百中则更难！因为炸弹的运动是一种复杂的曲线运动，今天我们把所看到的炸弹的运动就叫做“平抛运动”，接下来我们一起探究平抛运动的规律。说明：直接调动了学生探究的欲望和热情，更重要的是通过这种当今学生喜闻乐见的“电脑游戏”并自然的避开了空气的阻力问题，单刀直入地提出平抛运动课题。2科学探究：引导学生设计实验探究平抛运动规律（1）分析讨论，确定研究方法【引导性提问】相比直线运动，平抛运动复杂得多，怎样将复杂的运动化简为简单的运动进行研究？【讨论】根据上一节的知识，可以将复杂的曲线运动分解为两个简单的直线运动。【引导性提问】如何来分解平抛运动能够较好的理解它的运动特点？【讨论】因为小球受的力在竖直方向，初速度又是在水平方向，所以将平抛运动分解到水平方向和竖直方向比较好。说明：前面已经学习了分析曲线运动的方法运动的合成和分解，学生不难想到用这个方法。受力特点在前面也已经做出分析。（2）探究平抛运动在竖直方向的运动规律【问题】如果将平抛运动视为水平方向的运动和竖直方向的运动的合运动，那么，平抛运动在竖直方向应是什么运动？ 【讨论】竖直方向受重力作用，而且竖直方向上的初速度为零，所以应该是自由落体运动。【引导性提问】能否设计对比实验来验证猜想？说明：教师提出引导性问题，充分发挥教师主导作用，引导探究方向，掌控教学过程，有利于课堂探究教学的顺利开展，提高课堂效率。【讨论】让两个物体同时运动，分别作自由落体和平抛运动，观察它们是否同步下落且同时着地。【启发】实验关键是要求做到两物体同时开始。能否利用弹性金属片，和其他装置，实现一个动作同时控制两个小球的同时开始运动？【探究实验过程】实验设计：学生提出、交流方案；根据现有设备，讨论、修改、完善，确定最佳设计。实验操作：学生代表利用平抛运动和自由落体运动对比演示仪验证猜想，如图所示。说明：学生自己设计有一定难度可以给定一些材料并且进行针对性引导，给出实验设计方向明确方向，降低难度。也让学生充分参与。【补充】可以鼓励一部分学生课上或是课后再去思考一些其他的联动装置，例如利用电磁铁进行控制：一小球从斜面滚下平抛，同时推动开关使电路断电，电磁铁不再吸引，另一个小球得以同步下落。【问题】如何判断两个小球是否同时落地？【讨论】通过肉眼观察、利用数码相机连拍功能拍下在下落过程种不同时刻的照片进行对比、在实验装置下放置一个大铁盘来倾听落地时的声音（一声还是两声）。后两种方法可以同步演示效果明显。【阶段性结论】平抛运动在竖直方向应是自由落体运动。说明：让学生参与实验的设计探究过程，激发了学生探究和创造性思维，培养了学生的设计探究能力和创新能力。并且可以将探究延续至课后形成新的探究专题（3）探究平抛运动在水平方向的运动规律【问题】平抛运动在水平方向应是什么运动？【讨论】水平方向不受力，应是匀速直线运动。【探究实验过程】讨论研究方向：可以通过对比实验或定量测量实验进行验证。对比实验：让两个小球球同时以相同的速度开始运动，一个平抛，一个在水平面上匀速运动，看相同的时间内，水平方向位移是否相等。定量实验：测出做平抛运动的物体在几段相等时间内的水平位移；依据水平位移是否相等来判断猜想是否正确。【问题】实验中物体平抛运动时间很短，如何测时间和水平位移？【讨论】要充分利用它在竖直方向是自由落体运动的特点。设法通过实验得到平抛运动的轨迹；在平抛运动的轨迹利用自由落体规律找到每隔相等时间物体所达到的位置。测量出两相邻位置间的水平位移，看这些位移是否相等。选择实验器材，设计实验方案用图片展出可供选择的实验器材：实验器材组：两个完全相同的斜槽和规格相同的水平槽，两个小球，两个电磁铁（含导线和电源）；实验器材组：斜面水平槽，小钢球，用图钉固定了方格纸的木板，铅笔，数码照相机，三脚架，带水平喷嘴的瓶子，玻璃板。【实验设计】分小组讨论，一部分研究利用实验器材组，另一部分研究利用实验器材组交流设计方案：分组介绍实验设计方案方案，其他组的学生提出疑问，接着讨论并提出改进议建。方案一：对比实验，将两个斜槽水平对齐，上下放置，如图所示，用电磁铁控制两个小球同时开始运动，它们以相同大小的速度同时离开斜槽，上面的小球做平抛运动，下面的小球在水平轨道上做匀速直线运动，若它们在水平轨道上相碰，则验证猜想。建议及改进：由于过程比较快，所以肉眼观察的不太清楚。如果改用用数码相机在实验正前方进行连拍，可以发现每张照片上两球都在同一条竖直线上，说明了是同步的。方案二：让小球从斜槽上滑下，从末端水平抛出，用数码相机拍频闪照片。用频闪照片记录了小球所经过的多个位置，连起来就得到小球做平抛运动的轨迹。建议及改进：在平抛轨迹后方加方格背景，作为参照物；同时注意小球与和方格背景的颜色对比。方案三：让水平喷出的细水流来显示平抛的运动轨迹，在水流后面竖直放置一块玻璃板，用彩笔描出水流的轨迹。或是让小球每次从斜槽上同一高度滑下，从末端水平抛出，用铅笔描出小球经过的位置，通过多次实验，在竖直背景方格纸上记录小球所经过的多个位置，连起来得到平抛运动的轨迹。如图所示。建议及改进：注意喷水装置调节到能匀速喷出水流，保持水平初速度不变（插入瓶中的另一根细管的作用是保持从喷嘴射出水流的速度不变，使其不随瓶内水面的下降而减小。这是因为该管上端与空气相通，A处水的压强始终等于大气压，不受瓶内水面高低的影响。因此，在水面降到A处以前的很长一段时间内，都可以得到稳定的细水柱）。玻璃板、大木板在放置时注意保持竖直状态。用铅笔描绘轨迹时不可能一次性完成，所以需要保证每一次都是由相同高度滑下以确保平抛的水平初速度始终一样。分组实验学生分组，每种方案都安排小组进行实验，拿出事先准备好的仪器，学生进行实验数据处理：如何判断水平方向是否是匀速运动？在平抛运动的轨迹上，取纵坐标为h，4h，9h的点，由于竖直方向是自由落体运动，则从抛出点到这几点所用的时间应分别为t，2t，3t；如果水平方向是匀速运动，则则从抛出点到这几点的水平位移应分别是x，2x，3x。如图所示。数码相机拍照的则直接根据频闪间隔相等确定时间。交流评价每种方案请一个小组汇报，另外小组进行补充及分析误差原因。【阶段性结论】平抛运动在水平方向是匀速直线运动。说明：教师事先准备分组，可提高课堂效率。对于学生提出的新方案，可以安排学生课后进行操作。十、知识拓展某同学设计了一个研究平抛运动的实验。实验装置示意图如图所示，A是一块平面木板，在其上等间隔地开凿出一组平行的插槽（左图中、），槽间距离均为。把覆盖复写纸的白纸铺贴在硬板B上。实验时依次将B板插入A板的各插槽中，每次让小球从斜轨的一同位置由静止释放。每打完一点后，把B板插入后一槽中并同时向纸面内侧平移距离。实验得到小球在白纸上打下的若干痕迹点，如图所示。试讨论回答下面几个问题【问题】（1）实验前应对实验装置反复调节，直到 。（2）每次让小球从同一位置由静止释放，是为了 。（3）每次将B板向内侧平移距离，是为了 。（4）在右图中绘出小球做平抛运动的轨迹，并且利用轨迹说明平抛运动的特点。说明：拓展一些其他的实验方案，加深学生对平抛运动实验探究的理解九、教学后记1教学目标定位方面教学应遵循科学探究过程教学的原则，本节课以探究平抛物体运动规律为中心所展开的课堂教学，应突出一条研究物理科学的一般思想方法：探索规律总是从问题入手，建立模型、大胆猜想、实验验证、得出总结规律的过程。通过本节课的探究教学使学生不仅掌握了处理平抛运动的方法，同时也体会了处理其他曲线运动和处理未知问题的一般思路和方法。2. 教学设计方面物理概念规律的形成是由现象到本质的过程，不可能一蹴而就，怎样才能够让学生不是机械记住，而是真正理解是这节课要突破的难点。因此采用实验探究的方法，让学生先通过理论分析和猜想，再通过设计实验方案和细致的实验及仔细的观察，充分采用对比实验法。由于实验包含的规律往往隐藏在较深的层次，需要学生去挖掘，因此这一部分的自主探究活动可以让学生亲自感受到实验探究问题的过程，正是对学生观察、分析、归纳等各项综合素质和能力的培养。由于探究过程较多，与学生基础和动手能力有较大关联，完成难度比较大，教师要根据教学过程做适度调整。自主探究以学生为主体，课堂探究教师要配合学生活动并给予指导，在描绘平抛运动轨迹时方法很多：水平喷出恒定的水流、平抛演示仪演示、火花描绘轨迹、频闪照相、数码照相和数码摄相等，在教学过程中教师要把握好节奏，适时引导点拨，给学生充分发挥思想空间，教师可以根据学生的方案帮助学生完善实验设计方案。实验教学中，从实验的设计、装置、操作到数据处理，所有环节都应进行多方面实验思想的教育“实验的精髓在于控制”如装置中斜槽末端应保持水平；木板要竖直放置；操作上强调小球每次都从斜槽同一高度处由静止开始释放；这些控制的实施都是让探究实验圆满完成的保证。3教学效果方面本节课集物理现象、物理规律于一身，其中平抛运动的规律的科学探究过程是本节课的核心，也是实施新的教学理念的主要阵地，整个教学设计，在教法和学法上都力求有所创新，让学生感到学习的乐趣。“教，是为了不教。”要达到这个目标，就必须让学生由“苦学”变为“乐学”，使学生在获得知识和能力的过程中，具有快乐感，真正做到“寓教于乐”。同时让学生由“被动式接受知识”向“主动探究知识”转变，充分发挥学生在课堂上的主体性作用。需要注意得是，虽然实验探究的过程难免会存在一些误差，但是实验探究给学生的感知却是真切的，学生对知识的理解和掌握也更加透彻。同时，我们教者也应该注意课件只能作为物理实验过程的再现、概括、补充或模拟。但绝不能替代实验。