《动能和动能定理》实验教学设计说课稿(省级获奖实验说课案例)

《动能和动能定理》实验教学设计稿

一、使用教材

人教版高中《物理必修2》第七章第7节。 二、实验教学内容

定量探究动能和动能定理。 三、实验教学目标

物理观念：知道动能的定义式,知道动能是标量。知道动能定理的表达式,理解动能定理的意义。

科学探究：培养发现问题、设计方案、验证猜想的探究能力。

科学思维：运用演绎思维、类比和倍增思维,利用功和能的一般关系,参照重力做功和重力势能的变化,推导动能定理。掌握运用动能定理求解物理问题的思想方法。

科学态度与责任：通过数学推导得出动能定理,体验逻辑思维之美。体验科学探究的严谨、曲折、艰辛和喜悦；培养学生科学探究的兴趣和勤于思考的良好品质，以及善于交流、乐于承担和分享的团队精神。

“理论推导动能定理的思维引导和动能定理的实验验证”是本节课的重点和难点。 四、实验器材

自制教具：动能定理演示仪（图1），游标卡尺，力传感器等

六、实验创新

图1 动能定理演示仪

频闪光源 感光涂料板（正反两面）

弹簧支架 螺丝

弹簧支架

重垂线

力传感器

小车

用弹簧和自制的光影计时器改进传统实验。支架上可以安装5根弹簧，利用倍增法证明做功与速度变化的关系。弹簧的抗疲劳性和线性都要好于橡皮筋，操作也更加方便。

利用自制的光影平面计时器可以显示小车的运动轨迹，突破传统打点计时器和频闪摄影技术的纸带牵阻和操作麻烦等缺点。光影计时器有短时和长时留迹两种功能，分别用来辅助平衡摩擦和测量速度。（演示）只要量出两点的距离，除以相应的时间就可以得到小车的速度。速度的测量还可以采用平抛法，也可以利用光电门。

六、实验原理与应用

在不知道什么是动能的情况下，探究功与动能的变化关系是非常困难的。所以在验证动能定理之前，首先需要证明动能2

12

k E mv

，然后证明W 合=∆E K 。 （一）利用弹簧的推力对小车做功。如图2所示，支架上可以安装5根同规格弹簧，可以利用倍增法证明做功与速度变化的关系。

(二) 利用自制光影平面计时器辅助平衡摩擦和测量小车的速度

如图3所示，感光涂料板的正反两面涂有不同感光涂料，分别具有短时和长时留迹两种功能，短时留迹（在黑暗的环境中留迹3分钟左右，明亮环境中只能留迹几秒钟）适用于辅助平衡摩擦，长时留迹（能在明亮的环境中留迹1分钟左右）适用于测量小车的速度。

如图4和5所示，自制频闪光源可以发出紫光，频率由单片机控制，可以充电、调焦和调频。

图2 弹簧支架

钢柱 双面胶 （布基）

图3 短时和长时留迹

（1） 短时留迹（辅助平衡摩擦） （2） 长时留迹（测量小车速度）

当做光源经过感光涂料时会留下一串反映物体运动规律的点迹，只要量出两点的距离，除以相应的时间就可以得到小车的速度。

（三） 验证合外力（弹力）做功与动能的变化（初速度为零）

先再称出小车的质量。如图6所示，测量弹簧的压缩量x ∆ ，用力传感器测量出弹力的大小。

将每次实验“弹力所做的功（1

2

W F x =

∆ ）

”和“小车的速度”记录表1。小车的动能由弹性势能转化而来，只要证明W=212mv ，就证明了E K =2

12

mv 和W 合=∆E K 。绘制2W v - 图像，对图像

进行线性拟合，证明图像的斜率（即功与速度平方的比值）是否等于小车质量的一半。

图4 频闪光源电路图

计算机

图5 频闪光源实物图

3D 打印：盒盖

实物图

┼

3D 打印：盒子

开关 激光 模组

充电 插口

图6 测量弹力的大小

（四）验证合外力（重力）做功与动能的变化（初速度不为零）

把感光板粘在黑板上，让频闪光源做自由落体运动。任意选择两个位置，求出

2112mv 和2

212

mv ，证明这两个量是否代表物体的真实动能，在此基础上证明合外力（即重力）做功

22

211122

mg h mv mv ∆=-。

七、实验教学过程 （一）发现问题:W =∆E K

学生已经知道功是能量转化的量度，知道重力势能变化用重力做功来量度，弹性势能变化用弹力做功来量度。但不知道动能的变化用什么力做功能来量度。 （二）意义分析

更为全面的认知物理问题，找到功和动能的定量关系，能够从能量的角度分析力学问题…… （三）猜想和推理

首先引导学生猜想，动能可能与物体的质量和速度有关，可以设计一些定性的小实验和生活中

图6 绘制W-v 2

图像

表1.实验数据分析（弹簧压缩量x ∆= 2.00cm ，弹力F=2.54N ，小车质量m=0.316kg 。表中x 表示小车在5个时间段内的位移，即对应的时间t=0.1s ，v 表示小车的速度）

的例子，这里就不展开了。如图7所示，动能的变化一定会引起速度大小的变化，会产生加速度，而合外力是产生加速度的原因，所以动能的变化可能与合外力做功有关。通过推理得到W

合

22211122

mv mv =-，可以把定义重力势能的方法迁移到这里，把212mv 这个状态量定义为动能，整

个式子W 合=∆E K 称为动能定理。

（四）实验的可行性研究

证明W 与2v 的定性关系（初速度为零），上一节已经证明过。本节需要进一步证明动能

212k E mv =

，或W 与2v 的比值等于1

2

m 。用打点计时器和橡皮筋等材料做实验很不方便，而且误差大，所以我们自制的动能定理演示仪。 （五）实验验证 1. 证明2

12

k E mv =

，或初速度为零时W 合=∆E K 这里要引导学生重点考虑两个问题：如何高效、精确地测量速度（合理的选择x ∆ 和t ∆ ），如何计算W 和2v 的比值（拟合W -2v 图像，求斜率）。最后通过实验数据分析得到结论。 2. 证明初速度不为零时W 合=∆E K

把感光板粘在黑板上，让频闪光源做自由落体运动。任意选择两个位置，求出2112mv 和2

212

mv ，根据能量守恒两个位置的运动大小分别等于mgh 1和mgh 2，进一步证明2

12

mv 是否代表动能。在此基础上证明合外力（即重力）做功22

211122

mg h mv mv ∆=-。 （六）课外拓展性实验研究

可以组织学生开展了一些课外实验探究：组织了学生制作频闪光源，开展“自由落体、平抛运动、圆周运动、简谐运动、牛顿第二定律、弹性势能、机械能守恒和动量守恒”等实验的研究。

八、实验效果与评价

图7 猜想和推理