資源簡介

《2.1 實驗：探究小車速度隨時間變化的規律》 課時教案
學科 物理 年級冊別 高一上冊 共1課時
教材 人教版高中物理必修第一冊 授課類型 實驗探究課 第1課時
教材分析
教材分析
本節內容位于人教版高中物理必修第一冊第二章第一節，是學生在學習了“運動的描述”之后，首次通過實驗手段探究物體運動規律的實踐性內容。教材通過引導學生使用打點計時器測量小車在斜面上運動時的位移與時間關系，進而計算各點瞬時速度，繪制v-t圖像，最終得出“勻變速直線運動的速度隨時間均勻變化”的結論。該實驗不僅是對前一章知識的深化應用，更是后續學習加速度、牛頓第二定律的重要基礎，在整個力學體系中具有承上啟下的關鍵作用。
學情分析
高一學生已初步掌握位移、時間、速度等基本物理概念，具備一定的實驗操作意識，但對“瞬時速度”“平均速度與瞬時速度的關系”理解仍較模糊。學生首次接觸打點計時器，對儀器原理、紙帶處理方法不熟悉，易出現操作失誤或數據誤讀。同時，從實驗數據中提煉規律的能力較弱，數據分析和圖像處理技能尚在形成階段。針對此，教學中需強化動手指導，通過情境驅動和小組合作降低認知負荷，借助數字化工具輔助分析，幫助學生跨越思維障礙，建立“實驗—數據—規律”的科學探究路徑。
課時教學目標
物理觀念
1. 理解利用打點計時器記錄物體運動過程的基本原理，掌握通過紙帶數據計算某點瞬時速度的方法。
2. 能根據實驗數據繪制小車速度—時間圖像，并從中識別出速度隨時間均勻變化的特征，初步建立勻變速直線運動的物理圖景。
科學思維
1. 經歷“提出問題—設計實驗—收集數據—分析圖像—得出結論”的完整探究過程，發展邏輯推理與歸納概括能力。
2. 學會用v-t圖像描述運動規律，理解圖像斜率的物理意義，提升模型建構與圖像分析能力。
科學探究
1. 能獨立完成實驗裝置的搭建、紙帶的獲取與數據的測量，具備基本的實驗操作與數據處理能力。
2. 在小組合作中合理分工，有效交流，共同解決實驗中出現的問題，提升合作探究與問題解決能力。
科學態度與責任
1. 養成實事求是的科學態度，尊重實驗數據，不隨意篡改或忽略異常數據。
2. 在實驗中增強安全意識，規范操作電器設備，體會科學探究的嚴謹性與協作價值。
教學重點、難點
重點
1. 掌握利用打點計時器測量小車運動速度的基本方法，理解“用平均速度代替瞬時速度”的思想。
2. 能根據實驗數據繪制v-t圖像，并從中得出“速度隨時間均勻變化”的規律。
難點
1. 理解“用較短時間內的平均速度近似代替某時刻瞬時速度”的科學思想及其適用條件。
2. 準確處理紙帶數據，合理選擇計數點，減小測量誤差，正確繪制并解讀v-t圖像。
教學方法與準備
教學方法
情境探究法、合作探究法、講授法、實驗法
教具準備
打點計時器（電磁式）、學生電源、小車、長木板、刻度尺、紙帶、復寫紙、導線、坐標紙、計算器、多媒體課件
教學環節 教師活動 學生活動
情境導入
【5分鐘】 一、創設情境，提出問題。 （一）、播放視頻，引發思考。
教師播放一段汽車在平直公路上從靜止開始加速行駛的慢動作視頻，畫面中汽車的速度表指針緩慢而穩定地上升。隨后，教師提問：“同學們，我們看到汽車的速度在不斷增加，那么它的速度是如何隨時間變化的？是均勻增加的嗎？還是忽快忽慢？我們能否用一種科學的方法來‘看見’它的速度變化規律？”
學生可能會回答“應該是均勻加快的”或“不知道，要看具體情況”。教師順勢引導：“在生活中，我們很難用肉眼準確判斷速度的變化細節。但在實驗室里，有一種神奇的儀器，它就像一位不知疲倦的‘時間記錄員’，能把物體每一小段時間內的位置都清晰地記錄下來。今天，我們就請出這位‘記錄員’——打點計時器，來幫助我們揭開小車速度變化的秘密。”
（二）、回顧舊知，建立聯系。
教師在黑板上畫出一條直線，標出幾個等間距的點，代表小車在不同時間的位置。提問：“如果我只知道小車在0秒時在A點，2秒后在B點，我能知道它在第1秒末的速度嗎？”引導學生回憶平均速度公式v=Δx/Δt，計算出0-2秒內的平均速度。接著追問：“這個平均速度能代表第1秒末的瞬時速度嗎？在什么情況下可以近似代替？”通過討論，引導學生理解：當時間間隔越短，平均速度越接近該時間段中間時刻的瞬時速度。這為后續“用相鄰兩點間的平均速度代表中間時刻瞬時速度”的實驗思想埋下伏筆。
（三）、明確任務，激發探究欲望。
教師展示實驗裝置實物，并清晰地陳述本節課的任務：“今天，我們將讓小車拖著紙帶，在打點計時器的幫助下沿斜面下滑。通過分析紙帶上留下的點跡，測量位移和時間，計算出小車在不同時刻的速度，最終繪制出速度—時間圖像，親自探究小車速度究竟是如何隨時間變化的。這是一次真正的科學探險，你們準備好了嗎？” 1. 觀看視頻，思考汽車速度變化的方式。
2. 回憶平均速度與瞬時速度的概念，參與討論。
3. 明確實驗任務，產生探究興趣。
4. 觀察實驗裝置，初步了解器材組成。
評價任務 理解情境：☆☆☆
提出問題：☆☆☆
明確任務：☆☆☆
設計意圖 通過生活化視頻創設真實問題情境，激發學生好奇心與探究欲。以“如何看見速度變化”為核心問題驅動，自然引出打點計時器這一關鍵工具。通過復習平均速度與瞬時速度的關系，為實驗中“用平均速度代替瞬時速度”的科學方法提供理論支撐，降低后續理解難度。明確任務指令，使學生帶著目標進入實驗環節。
實驗準備與原理講解
【8分鐘】 一、認識儀器，理解原理。 （一）、講解打點計時器工作原理。
教師拿起打點計時器，結合多媒體課件中的動態示意圖進行講解：“這是電磁打點計時器，它內部有一個線圈，當接通4-6V交流電時，線圈會產生周期性變化的磁場，帶動振針上下振動。振針的頻率與交流電頻率相同，我國民用交流電頻率為50Hz，因此振針每秒振動50次，即每隔0.02秒打一個點。當紙帶穿過限位孔并隨小車運動時，振針就在紙帶上留下一系列等時間間隔的點跡。相鄰兩點間的時間間隔就是0.02秒。這些點跡就像時間的腳印，忠實地記錄了小車的運動軌跡。”
教師強調：“打點計時器打出的點跡不僅記錄了時間，也記錄了位置。兩點間的距離反映了小車在0.02秒內的位移。這是我們獲取數據的基礎。”
（二）、演示實驗裝置搭建。
教師在講臺上逐步演示實驗裝置的組裝過程：先將長木板一端墊高形成斜面，固定打點計時器于木板高端，將紙帶一端固定在小車上，另一端穿過打點計時器的限位孔，并壓上復寫紙片。連接學生電源，調整電壓至6V交流檔。提醒學生注意：小車應靠近打點計時器放置，先啟動打點計時器，待打點穩定后再釋放小車；實驗結束后先關閉電源再取紙帶。
（三）、講解數據處理方法。
教師展示一條已打出點的紙帶，用紅筆圈出幾個清晰的點。講解：“為了減小測量誤差，我們通常每5個點取一個計數點，即每隔0.1秒取一個點。這樣時間間隔較大，測量距離更準確。例如，從第一個清晰點開始，第1個計數點是第1個點，第2個計數點是第6個點，第3個計數點是第11個點，以此類推。”
接著，教師重點講解速度計算方法：“如何求第2個計數點的瞬時速度？我們采用‘中間時刻瞬時速度等于該段時間內的平均速度’的方法。即用第1到第3個計數點之間的位移除以對應的時間間隔（0.2秒）。公式為：v = (x - x ) / (2T)，其中T=0.1s。這種方法利用了勻變速運動的規律，能有效減小誤差。” 1. 認真聽講，理解打點計時器的工作原理。
2. 觀察教師演示，熟悉實驗裝置的連接方法。
3. 理解計數點的選擇原則和瞬時速度的計算方法。
4. 記錄關鍵操作步驟和計算公式。
評價任務 認識儀器：☆☆☆
理解原理：☆☆☆
掌握方法：☆☆☆
設計意圖 通過實物與多媒體結合，直觀展示打點計時器的結構與工作原理，幫助學生建立清晰的物理圖像。規范演示實驗操作流程，強調安全與操作要點，預防常見錯誤。重點突破“用平均速度代替瞬時速度”這一核心思想，通過具體案例講解計算方法，為學生后續獨立處理數據奠定堅實基礎。講解過程邏輯清晰，層層遞進，確保學生“知其然，更知其所以然”。
分組實驗與數據采集
【15分鐘】 一、分組實驗，動手操作。 （一）、組織分組，明確分工。
教師將全班分為8個實驗小組，每組4人。明確分工建議：1號同學負責釋放小車，2號同學負責操作電源開關，3號同學負責固定紙帶并確保其順暢通過，4號同學負責記錄原始數據。強調小組合作的重要性：“實驗的成功離不開每個人的努力，大家要相互配合，及時溝通。”
（二）、指導操作，巡視指導。
各小組開始實驗。教師在教室內巡視，重點關注以下環節：檢查打點計時器安裝是否牢固，紙帶是否平整穿過限位孔，復寫紙是否正確放置，電壓是否調至6V交流檔。觀察學生操作順序是否正確——是否先通電打點，再釋放小車。對于操作不規范的小組，及時糾正。例如，有小組先放小車再通電，導致紙帶前端無點跡，教師立即提醒：“記住口訣：先打點，再放手；先關電，再取帶。”
（三）、獲取紙帶，篩選數據。
每個小組至少完成兩次實驗，選擇點跡清晰、分布均勻的一條紙帶進行數據處理。教師提醒：“如果點跡過密或過疏，可能是電壓不穩或小車運動不暢，可調整斜面傾角或重新實驗。”待學生獲得理想紙帶后，用剪刀剪下該段，準備測量。
二、測量位移，記錄數據。 （一）、指導測量方法。
教師發放數據記錄表，表頭包括：計數點序號n、時間t(s)、對應點到起點的距離x (m)、相鄰位移差Δx(m)等。指導學生用刻度尺測量各計數點到起始點O的距離x ，精確到毫米。強調測量時視線要與尺面垂直，避免視差，可多次測量取平均值以提高精度。
（二）、監督數據記錄。
學生將測量結果填入表格。教師繼續巡視，抽查數據記錄是否規范，單位是否統一，提醒學生及時記錄，避免遺忘。對于出現明顯錯誤的測量（如距離遞減），引導學生檢查紙帶方向是否弄反或測量點是否錯位。 1. 小組分工合作，搭建實驗裝置。
2. 按照規范流程進行實驗操作，獲取紙帶。
3. 選擇點跡清晰的紙帶，測量各計數點到起點的距離。
4. 如實填寫數據記錄表，確保數據準確。
評價任務 規范操作：☆☆☆
數據準確：☆☆☆
合作有效：☆☆☆
設計意圖 通過分組實驗，讓學生親歷科學探究的全過程，培養動手能力和團隊協作精神。教師巡視指導，及時發現并糾正操作誤區，確保實驗數據的可靠性。強調數據的真實記錄與篩選，培養學生嚴謹的科學態度。測量環節注重細節指導，提升學生的實驗技能和數據處理意識，為后續分析提供高質量原始數據。
數據分析與規律探究
【12分鐘】 一、計算速度，填寫表格。 （一）、示范計算過程。
教師在黑板上展示本組的紙帶數據示例（假設x =2.00cm, x =6.00cm, x =12.00cm, x =20.00cm, x =30.00cm）。以第2個計數點為例，詳細演示速度計算：“v = (x - x ) / (2T) = (12.00 - 2.00) × 10 m / (2 × 0.1 s) = 0.10 m / 0.2 s = 0.50 m/s”。同理計算v = (x - x )/(2T) = (20.00 - 6.00)×10 / 0.2 = 0.70 m/s，v = (x - x )/(2T) = (30.00 - 12.00)×10 / 0.2 = 0.90 m/s。強調計算中單位換算的重要性，提醒學生將厘米換算為米。
（二）、學生獨立計算。
各小組根據自己的測量數據，按照相同方法計算各計數點對應的瞬時速度，并填入表格。教師巡視，解答計算中的疑問，如“為什么不用相鄰兩點算速度？”再次解釋用“前后兩點間距”是為了增大時間間隔，減小相對誤差。
二、繪制圖像，尋找規律。 （一）、指導繪圖步驟。
教師在多媒體上展示坐標紙，講解v-t圖像繪制要點：橫軸為時間t（單位：s），縱軸為速度v（單位：m/s）；選擇合適的標度，使圖像盡量布滿坐標紙；將(t ,v )、(t ,v )…各點在坐標系中描出；最后用平滑的直線或曲線連接各點，觀察整體趨勢。
（二）、學生繪制圖像。
學生在坐標紙上描點連線。多數小組會發現各點基本落在一條直線上。教師引導：“你們的點連起來像什么？是直線嗎？如果是直線，說明速度和時間有什么關系？”
（三）、引導歸納結論。
教師邀請幾組代表展示他們的v-t圖像，并分享發現。當多組都得到近似直線時，教師總結：“大家的實驗結果高度一致——速度—時間圖像是一條傾斜的直線。這意味著什么？說明小車的速度隨時間均勻增加，即每過相同的時間，速度的增加量是相同的。這種運動，我們稱之為勻加速直線運動。這就是我們今天通過實驗探究出的核心規律。” 1. 根據公式計算各計數點的瞬時速度。
2. 將速度與時間數據對應，填入表格。
3. 在坐標紙上描點并繪制v-t圖像。
4. 觀察圖像特征，嘗試歸納速度變化規律。
評價任務 計算正確：☆☆☆
圖像規范：☆☆☆
結論合理：☆☆☆
設計意圖 通過教師示范與學生實踐相結合，確保速度計算方法的準確掌握。繪圖環節培養學生的數據可視化能力，將抽象數據轉化為直觀圖像。通過觀察多組實驗結果的共性，引導學生從個別到一般進行歸納，得出“速度隨時間均勻變化”的科學結論，經歷完整的“證據—解釋”過程。展示與交流環節增強學生表達能力與批判性思維。
課堂總結與升華
【5分鐘】 一、回顧過程，結構化總結。 （一）、梳理探究路徑。
教師帶領學生回顧整節課的探究歷程：“我們從一個生活問題出發——如何觀察速度變化？引入打點計時器作為記錄工具，通過實驗獲取紙帶；再用‘用較短時間內的平均速度近似代替瞬時速度’的方法處理數據；最后通過繪制v-t圖像，發現圖像呈直線，從而得出小車做勻加速直線運動的結論。這一過程，正是伽利略開創的‘實驗+數學’科學研究范式的生動體現。”
（二）、升華科學精神。
教師深情總結：“同學們，今天我們不只是在做一次實驗，更是在重走科學家探索自然規律的道路。每一個點跡，都是時間的低語；每一條直線，都是規律的顯現。伽利略曾說：‘自然之書是用數學語言寫成的。’而我們今天，正是用打點計時器這支筆，用v-t圖像這張紙，親手寫下了屬于我們自己的‘自然之書’的一頁。希望你們永遠保持這份好奇與嚴謹，用實驗去追問，用數據去回答，在探索真理的道路上，走得更遠，看得更清。” 1. 跟隨教師回顧實驗探究全過程。
2. 理解科學探究的基本方法與步驟。
3. 感受科學發現的嚴謹與美感。
4. 樹立尊重實驗、追求真理的科學態度。
評價任務 回顧流程：☆☆☆
理解方法：☆☆☆
情感認同：☆☆☆
設計意圖 通過結構化總結，幫助學生系統梳理“問題—實驗—數據—圖像—結論”的完整探究鏈條，強化科學方法論。引用伽利略名言，將本節課的實驗活動提升至科學史與科學哲學的高度，激發學生的科學情懷與使命感。優美的總結語讓學生在知識之外，感受到物理探究的理性之美與精神之光，實現情感態度與價值觀的升華。
作業設計
一、數據再處理
某小組實驗得到的紙帶上，從起點開始，每5個點取一個計數點，測得各計數點到起點的距離分別為：x =3.00cm，x =7.50cm，x =13.50cm，x =21.00cm，x =30.00cm。已知打點計時器所用交流電源頻率為50Hz。
（1）求出計數點2、3、4對應的瞬時速度v 、v 、v 。
（2）以時間t為橫軸，速度v為縱軸，建立坐標系，描點并畫出小車的速度—時間圖像。
（3）根據圖像判斷小車的運動性質，并估算其加速度大小。
二、誤差分析
在本實驗中，可能存在哪些因素導致測量結果出現誤差？請至少列舉三點，并提出相應的改進措施。
三、拓展思考
如果將長木板水平放置，給小車一個初速度，使其拖著紙帶運動，你預測它的v-t圖像會是什么形狀？這說明小車在做什么運動？請簡要說明理由。
【答案解析】
一、數據再處理
（1）T = 0.1s
v = (x - x )/(2T) = (13.50 - 3.00)×10 / 0.2 = 0.525 m/s
v = (x - x )/(2T) = (21.00 - 7.50)×10 / 0.2 = 0.675 m/s
v = (x - x )/(2T) = (30.00 - 13.50)×10 / 0.2 = 0.825 m/s
（2）描點：(0.1, 0.525), (0.2, 0.675), (0.3, 0.825)，連線得一條直線。
（3）圖像為直線，說明小車做勻加速直線運動。加速度a = Δv/Δt = (0.825 - 0.525)/(0.3 - 0.1) = 0.3 / 0.2 = 1.5 m/s 。
二、誤差分析
1. 測量位移時存在讀數誤差 → 改進：使用精度更高的測量工具，多次測量取平均值。
2. 打點計時器打點不穩定或電壓波動 → 改進：檢查電源穩定性，確保打點清晰。
3. 紙帶與限位孔間有摩擦 → 改進：保持限位孔清潔，紙帶平直，減小阻力。
板書設計
2.1 實驗：探究小車速度隨時間變化的規律
【核心問題】
小車速度如何隨時間變化？
【實驗器材】
打點計時器、小車、紙帶、電源、刻度尺
【原理】
T = 0.02s（每兩點）
計數點：每5點取1點 → t = 0.1s
瞬時速度：v = (x - x ) / (2T)
【數據處理】
1. 測距離 x
2. 算速度 v
3. 描點作圖 v-t
【結論】
v-t圖像為直線 → 速度隨時間均勻增加 → 勻加速直線運動
【科學方法】
實驗觀察 → 數據采集 → 圖像分析 → 歸納結論
教學反思
成功之處
1. 以生活情境導入，有效激發了學生探究興趣，問題驅動貫穿始終，課堂主線清晰。
2. 注重科學思想滲透，對“用平均速度代替瞬時速度”的講解深入淺出，幫助學生理解實驗設計的精妙之處。
3. 學生動手參與度高，小組合作有序，多數小組能獨立完成實驗并得出正確結論，達成了預期目標。
不足之處
1. 個別小組因操作不熟練導致紙帶點跡不清晰，影響數據質量，今后需加強實驗前的模擬訓練。
2. 數據處理環節時間稍顯緊張，部分學生計算速度時單位換算出錯，需在后續課程中強化單位意識。
3. 對v-t圖像斜率即加速度的概念僅作提及，未深入展開，可作為下節課的銜接點。

展開更多......

收起↑