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高中物理人教版选修3-5实验探究《碰撞中的不变量》(天津市54中)

视频标签:碰撞中的,不变量

所属栏目:高中物理优质课视频

视频课题:高中物理人教版选修3-5实验探究《碰撞中的不变量》(天津市54中)

教学设计、课堂实录及教案:高中物理人教版选修3-5实验探究《碰撞中的不变量》

1设计思想 
新教科书关于第十六章的教学,主要突出两点:体现学习中的探究精神;强调物理学中“不变量”的思想。让学生通过探究体会碰撞中不变量的猜想和认知过程;体验学习实验探究的过程,合作探究碰撞前后物块速度的获得方法。培养学生对物理学科的兴趣和热情,提高探究能力和交流协作能力。
2学情分析 
学生已经学习了一些运动规律,了解了物理的研究方法,具备了实验设计的能力和实验操作的技能;对碰撞有生活感性认知;有一定的分析能力和逻辑推理能力;并 在“机械能及其守恒定律”一章中有过类似的探究经历和体验。但对于学生来说提出猜想还是比较困难的,教师应通过实验,引导学生分析形成逻辑递进的过程。同 时在设计实验方法测量碰撞前后物体的速度时会困难较大,老师应在学生的探究过程中帮助回忆学习过的运动规律和物理方法。
3学习内容分析 
课标对本课教学内容的基本要求:1.猜想两个物体碰撞前、后可能保持不变的物理量,写出相应的表达式。2.知道碰撞的不同类 型,知道一维碰撞的实验方法。3.会设计比较完整的实验方案,知道实验需测的物理量和所需器材。4.知道质量改变的方法,会测量物块(小球)的质量。5. 知道物块(小球)碰撞前、后速度的测量方法。6.知道两个碰撞物块粘连在一起运动的操作方式。能合理安排操作步骤,完成实验操作。7.能设计实验记录表并 记录数据。
在探究不变量的过程中,涉及到的知识包括动能定理、直线运动规律、平抛运动等基本知识和物理模型。教师通过引导学生回忆所掌握的知识和研究方法,让 学生通过教师的实验引导和自己的探究体验与逻辑分析以及通过实验案例的设计和操作去发现碰撞过程中的确存在某个不变量,这是探究精神的体现,更是科学方法 的教育。
4教学目标 
一、知识与技能
1.明确探究不变量的基本思路,知道一维碰撞。
2.知道碰撞前后相关的物理量,会猜想碰撞前后可能保持不变的物理量。
3.掌握一维碰撞运动的两个物体碰撞前后的速度测量方法。
4.会设计实验方案,安排操作步骤。
5.能完成实验的基本操作,掌握实验数据处理的方法。
二、过程与方法
1.通过对比试验,提高学生观察试验的能力。
2.通过对实验现象进行对比分析,提升学生逻辑推理的能力。
3.经历实验探究的过程,培养学生设计试验方案的能力和创新意识,认识到转换替代思想是常用方法。
4.在分组试验的过程中,提高学生熟练操作和数据处理的能力。
三、情感态度与价值观
1.通过对实验的观察和分析,培养学生积极主动思考问题的习惯,并提高其思考的全面性、准确性和逻辑性。
2.通过对实验现象的阐述,提高学生的语言表达能力。
3.通过对不变量猜测的过程,提高学生对科学探究的兴趣和热情。培养学生主动与他人合作的精神。
4.通过对实验数据的记录和处理,培养学生实事求是的科学态度。
5重点 
1.猜想两个物体碰撞前、后保持不变的物理量的可能表达式。
2.如何合理测量物块碰撞前后的速度。
3.实验数据的处理
6难点 
1.如何能够使学生顺理成章的猜想两个物体碰撞前、后保持不变的物理量的表达式。
2.设计测量碰撞前、后物块速度的实验方案。
7信息技术及其它资源的应用 
在本节课的教学中利用了多媒体和计算机辅助教学,通过播放视频使学生对碰撞的认识更为形象直观。同时利用传感器和计算机辅助设备使探究不变量的数据处理更 为简便和高效。利用牛顿摆让学生真切感受不变量的存在,同时利用小车和水平轨道演示碰撞过程,证实不变量与物体的质量有关。主要教学用具有多媒体辅助教学 设备,实验室提供的实验器材,小车、导轨、牛顿摆、细线、小球、平抛演示仪,传感器、数据采集器。
8教学方法和手段 
教学方法:运用物理“科学探究”和“实验探究”相结合的教学模式实施教学。
教学手段:多媒体辅助与演示实验引导
9教学过程
9.1 第一学时
9.1.1学习内容分析 
课标对本课教学内容的基本要求:1.猜想两个物体碰撞前、后可能保持不变的物理量,写出相应的表达式。2.知道碰撞的不同类型,知道一维碰撞的实验方法。 3.会设计比较完整的实验方案,知道实验需测的物理量和所需器材。4.知道质量改变的方法,会测量物块(小球)的质量。5.知道物块(小球)碰撞前、后速 度的测量方法。
9.1.2教学目标 
一、知识与技能
1.明确探究不变量的基本思路,知道一维碰撞。
2.知道碰撞前后相关的物理量,会猜想碰撞前后可能保持不变的物理量。
3.掌握一维碰撞运动的两个物体碰撞前后的速度测量方法。
4.会设计实验方案,安排操作步骤。
二、过程与方法
1.通过对比试验,提高学生观察试验的能力。
2.通过对实验现象进行对比分析,提升学生逻辑推理的能力。
3.经历实验探究的过程,培养学生设计试验方案的能力和创新意识,认识到转换替代思想是常用方法。
三、情感态度与价值观
1.通过对实验的观察和分析,培养学生积极主动思考问题的习惯,并提高其思考的全面性、准确性和逻辑性。
2.通过对实验现象的阐述,提高学生的语言表达能力。
3.通过对不变量猜测的过程,提高学生对科学探究的兴趣和热情。培养学生主动与他人合作的精神。
9.1.3重点 
1.猜想两个物体碰撞前、后保持不变的物理量的可能表达式。
2.如何合理测量物块碰撞前后的速度。
9.1.4难点 
1.如何能够使学生顺理成章的猜想两个物体碰撞前、后保持不变的物理量的表达式。
2.设计测量碰撞前、后物块速度的实验方案。
9.1.5信息技术及其它资源的应用 
在本节课的教学中利用了多媒体和计算机辅助教学,通过播放视频使学生对碰撞的认识更为形象直观。同时利用传感器和计算机辅助设备使探究不变量的数据处理更 为简便和高效。利用牛顿摆让学生真切感受不变量的存在,同时利用小车和水平轨道演示碰撞过程,证实不变量与物体的质量有关。主要教学用具有多媒体辅助教学 设备,实验室提供的实验器材,小车、导轨、牛顿摆、细线、小球、,传感器、数据采集器。
9.1.6教学流程图 
 
 
9.1.7教学方法和手段 
 
 
教学方法:运用物理“科学探究”和“实验探究”相结合的教学模式实施教学。
教学手段:多媒体辅助与演示实验引导。
9.1.8板书设计 
 
 
9.1.9教学反思 
一、教学活动的经验
通过本节课的教学,基本上完成了教学要求,达到了我的预期效果。里面值得肯定的地方有以下几个方面
1、 重视培养学生的兴趣。
兴趣是最好的老师。通常现象鲜明直观的演示实验和能使学生多观察、多动手的学生实验,利用设悬念、摆疑点、设置矛盾的方法,可以激发起学生的兴趣; 比如在观察牛顿摆时,通过让学生观察“对称运动”,使学生感受碰撞过程中不变量的存在。利用红、蓝两车的碰撞演示,抓住学生眼球,激发学生的兴趣,通过观 察证实,质量虽然不是我们要找的不变量,但是却与我们要找的不变量有关,便于学生理解。
2、 让学生在活动掌握物理知识
在组织教学中让学生做中学、做好以后说出来。充分发挥教师的指导作用,让学生在探究过程中,体验和领悟科学的思想观念、科学家研究问题的方法。相信学生的能力,让学生在充分动脑、动手、动口过程中主动积极的学。
3、 采用灵活多样的教学方式
通过灵活多样的教学让学生经历真实的学习过程, “真实”,体现在教学中的的循循善诱、真诚帮助、严格要求和规范训练的方法之中;在学生不同方法的交流、不同思想不同观点的碰撞和怀疑、争论、发散、及统 一。在真情实感的表扬之中;在机敏地捕捉动态生成的教育教学资源,对预设教案的必要调整和舍弃之中。
4、发挥多媒体技术在物理课堂教学中的优势。
创建物理情景、渲染气氛,增强学生求知的兴趣。在课堂教学中合理借助于多媒体技术,轻松的引领学生进入直观、形象、甚至虚拟的场景,使学生犹如身临其境,学习兴趣倍增。
二、存在的问题和不足
动态生成的课堂教学与预设有偏差,课堂教学不够完美
1、在引发学生的讨论过程中,学生的参与面不够广泛,因为学生的能力之间有差异所以使得个别同学没有参与到讨论中来,还只是停留在倾听的层面。
2、学生在提出想法以后,我没有及时对学生的想法和思路的突破给予充分肯定,导致一定程度上使学生积极表达的热情降低,自己有想法但对表达自己的想发没有热情。
3、讨论不够充分,由于预设方案的影响,所以个人在组织讨论的过程中还是受到束缚,没有给学生更大的空间,使探究过程不丰满,课堂教学不够充实。
三、改进方法
1、教学要关注全体,及时关注没有积极参与到课堂活动中的同学,对个别学生要重点引导,照顾多个层面,提高学生的参与性。
2、思维方法是解决问题的根本,更是物理教学的关键。在今后的教学中解放思想,充分发挥学生的主体地位,给学生更多的空间。
3、在教学过程中应尽可能多的去引导学生自己得出方案。尽可能对学生的积极表达做出肯定,及时鼓励学生,让学生体会到在课堂探究过程中的成就感,培养协作能力和团队精神
9.1.10教学活动
活动1【导入】导入新课 
[视频展示]生活中的不同碰撞现象。
教师引导学生回忆在直线运动曲线运动以及天体运动的学习过程中,都研究了一个不变量,引导学生认识到对某个不变量的研究会使复杂的物理过程变得更加简单,并引导同学猜想生活中有哪些常见的碰撞现象。通过关注自然,观察生活实践,提出探究问题的情境。
[课堂互动实验演示  牛顿摆]
这个实验能吸引学生眼球。演示过程中分别拉起一个,两个,三个,四个小球,放开后让其相互碰撞。并向同学演示同时从两侧各拉起两个小球到等高出释放后让其相互碰撞,提示学生观察并感受碰撞前后的对称运动想象,让学生用自己的物理语言来描述以上现象。引导学生感受不变量的存在。提出学习和探究这类碰撞中的物理规律是具有社会意义和科学价值的,从而引出新课。
活动2【讲授】实验探究基本思路 
1.一维碰撞
教师引导学生用自己的语言描述最简单的碰撞,给出一维碰撞的概念
2.研究不变量
教师引导学生思考并得出与一维碰撞相关的物理量只有质量和速度这两个物理量。提出质量碰撞前碰撞后都不变,它是否是我们要找的不变量这一问题。最后得出质量虽在碰撞前后都不变,但并不是我们找到不变量。进一步引导学生思考质量与我们要追寻的不变量是否有关。引导学生观察对比试验。
活动3【活动】探究不变量 
[对比试验]
 
通过对比试验发现:
现象一:质量相等的红车与静止的蓝车相碰,碰撞后红车停蓝车向前运动。
现象二:质量不等的红车与静止的蓝车相碰(红车质量大于蓝车),碰撞后红车、蓝车以不同速度继续向前。
现象三:质量不等的红车与静止的蓝车相碰(红车质量小于蓝车),
碰撞后红车反弹,蓝车以较小速度向前。
通过观察试验引导学生用自己的语言表述试验结论即两个物体碰撞前后速度都发生了变化,但质量比不同的两个物体碰撞后速度变化的情况不一样,明确要找的不变量与物体在碰撞前后的质量和速度有关,引导学生进行猜想
设两个物体的质量分别为 , ,碰撞前速度分别为 , , 碰撞后速度分别为 , 。
根据猜想的一般原理由简单到复杂,由单一到多样,由数学表达语言的对称和和谐出发,碰撞后两个物体是否存在某中关系,学生根据学过的知识会首先提出
猜想: (认为能量守恒)m1 v21 +m2 v22 =m1 v′21 +m2 v′22 
教师继续引导,既与质量有关又与速度有关的不变量还可能有哪些形式呢?
学生思考得出:m1v1 + m2v2 = m1v′1 + m2 v′2 
 
             
m1
v1  +
m2
v2  =
m1
v′1  +
m2
v′2  
                       
 
活动4【讲授】探究实验方案 
教师提出:
(一)实验条件的保证
实验必须保证碰撞是一维的
(二)实验数据的测量方法
1.用天平测量两物体的质量
 
 
2.测量两个物体在碰撞后的速度
 
教师引导学生猜想测量物体的速度有哪些方法。组织学生利用所学的知识如匀速直线运动、平抛运动、功能转化或者利用接触过的实验器材和装置,设计实验方案解决测速度的问题进行互动探究。教师带领学生从不同角度分析方案,设计问题,组织学生讨论。教师主要从如何安装,怎样操作,测速原理,实施可行性、误差分析、数据处理等方面提出问题。
活动5【活动】方案一:利用摆球测速 
 
 
 教师引导学生讨论后得出:
1.测速原理:可以测量小球被拉起的角度,从而算出碰撞前对应小球的速度,测量碰撞后小球摆起的角度,算出碰撞后对应小球的速度。
     
 
 
 
2.安装:把两个半径相等的小球用等长悬线悬挂起来。
3.实验操作:一个小球静止,拉起另一个小球,放下时它们相碰。
4.优势:操作简单、易于实现、适用于多种碰撞情况。
5.问题:数据测量误差较大
6.如何规避问题:尽量减少被测对象,可利用该方案研究做碰撞后粘在一起的情况。
教师引导学生通过所学的知识比如从能量转化的角度解决获得碰撞前后物体的速度的问题。让学生通过自己的推理得出测速原理。并继续引导学生讨论此方案的优势和不足。
再得出存在测量数据误差较大的问题后,教师进一步组织学生讨论如何优化此方案,学生经过讨论后得出可以减少测量次数,让两球碰后粘在一起这一方法。
活动6【活动】方案二    打点计时器、小车 
 
 
教师逐次引导学生经过讨论得出:
1.测速原理:通过纸带上两计数点间的距离及时间,由v=
Δx
Δt  算出速度.
 
 
2.安装:将打点计时器固定在长木板的一端,把纸带穿过打点计时器,连在小车的后面,在两小车的碰撞端分别装上撞针和橡皮泥.
3.实验:接通电源,让小车A运动,小车B静止,两车碰撞时撞针插入橡皮泥中,把两小车连接成一体一起运动.
4.优势:实验器材熟悉,操作熟练,原理简单明确。
5.注意问题:
(1)在实验室条件下为保证匀速直线运动,需平衡摩擦力。
(2)只能适用于碰后粘在一起的模型。所研究碰撞模型情况单一。
教师继续引导学生可利用学过的知识,还有没有能够解决测速度的问题的方案。让学生动脑讨论得出改进方法。
利用打点计时器测速度是学生在高一年级做过的实验,所以学生比较容易想到此方法。但在这节课中应组织学生重点讨论如何设计方案解决两个物体在碰撞前后的速度,组织学生就这一问题展开讨论。
学生经过讨论后得出让碰撞后两物体粘在一起,便可以通过同一纸带得到两物体在碰撞前后的速度。
教师进一步提出如果碰后两个物体不粘在一起,如何改进实验方案才能获得两个物体碰撞后的速度,引导学生积极讨论。得出利用光电门等方法解决此问题。
活动7【活动】方案三    利用等大小球做平抛运动 
 
 
教师引导学生讨论后得出:
1.测速原理:测出碰撞前后各球落点到O间的距离XOP、XOM、XON,各球空中运动时间均相同,设为⊿t,可得速度为
 
 
2.安装:将斜槽固定在桌边,使槽的末端点切线水平,调节实验装置使两小球碰时处于同一水平高度,且碰撞瞬间入射小球与被碰小球的球心连线与轨道末端的切线平行,以确保正碰后的速度方向水平。
 
3.实验:
(1)在地上铺一张白纸,在白纸上铺放复写纸.
(2)在白纸上记下重垂线所指的位置O,它表示入射球m1碰前的位置。
(3)先不放被碰小球,让入射小球从斜槽上同一高度处滚下,重复10次,用圆规画尽可能小的圆把所有的小球落点圈在里面,圆心就是入射小球未发生碰撞前的落地点P.
(4)把被碰小球放在斜槽的末端,让入射小球从同一高度滚下,使它发生正碰,重复10次,求出入射小球落地点的平均位置M和被碰小球落地点的平均位置N.
(5)过O和N在纸上作一直线.
(6)用刻度尺量出线段OM、OP、ON的长度.用长度替代速度去探究。
4.优势:实验中不需要测量时间,也不需要测量桌面的高度,转换的思想,利用唯一代替速度,数据处理工作简单。
5.注意问题:
(1)斜槽末端的切线要水平;
(2)从同一高度释放小球 ;
(3)能正确判断小球碰撞前后的落点( m1 >m2 );
(4) 用正确的方法从落点的痕迹找出落点的位置,需重复多次,实验操作较为复杂。碰撞点反复弹跳,落点不清晰,同时小球在实验室里反复乱滚影响集体实验效率和精度。
教师引导学生思考,有没有更简单准确的方式,结合现代科技、计算机技术。
学生一般不容易直接想出利用平抛运动测速度,教师提示学生利用转换替代的思想方法,并且进一步针对此方案的细节,着重让学生针对操作中的注意事项进行分析讨论,这样不仅使实验原理更为清晰,同时有利于此方案的实际操作。
活动8【活动】方案四 
利用传感器、小车测速度
 
教师引导学生结合现代科技思考得出可以用传感器结合数据采集器与计算机完成实验,教师向学生介绍利用传感器收集的物理量信息,通过数据采集器转换给计算机,计算通过用计算软件得到两物体在被碰前后的速度。这种方式可以应用于多种情况下的碰撞运动,且测量准确。最后教师总结传统实验与计算机辅助实验各有优势,在明确实验基本思路和经历科学探究的过程之后,可以选取自己喜欢的方式去进行实验。

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