《探究弹力和弹簧伸长的关系》教学设计

逍遥右脑  2014-02-06 09:16


  【课题分析】
  在学生学习了弹力后,知道弹力是一种最基本的性质力,是摩擦力产生的前提和基础。弹力同时也是物体受力分析中最重要的一种力。弹力来源于形变:“弹力的大小跟形变的大小有关系,形变越大,弹力也越大,形变消失,弹力就随着消失”(高一物理必修)。但弹力与形变究竟有何关系,人教版高中物理课本只给出了定性的关系,原因是弹力与形变关系比较复杂。为了降低难度,减小知识的跨越台阶,课程设置为探究性学习,且只研究弹力与弹簧伸长形变的定量关系。
  本节课的内容新颖,形式比较生动,有讲解,有实验,有板演,有讨论,有归纳,有练习,可以上成一堂比较典型的探究性实验教学课。我们改变课堂视角,在培养学生科学研究方法的教育中作了一些探索,让学生重走科学家的探索之路,体味科学家的探索精神。
  【教学目标】
  1、加深弹力和形变关系的理解,知道弹力产生的条件;
  2、通过实验得到弹力与弹簧伸长量的关系;
  3、学习本课题所用的科学方法;
  4、培养学生的探索精神和团队协作精神,激发学生的求知欲;
  5、提高学生分析、解决实际问题的能力,并体验成功的愉悦。
  【教学重点】
  弹簧的弹力与弹簧伸长量的关系。
  【教学难点】
  实验数据的处理方法。
  【教学方法】
  实验法、谈话法。
  【课前准备】
  教师准备:(弹簧秤、钩码、直尺、铁架台)12套、CAI课件、多媒体展台。
  学生准备:三角板、笔、草稿纸。

  【教学地点】

  物理多媒体实验室。

  【课时安排】

  1课时。

  【教学过程】

  一、复习知识并引入课题

  师:[多媒体展示]1、什么是弹力?弹力的方向如何?举例说明。

   2、弹力产生的条件是什么?

   3、什么叫形变及弹性形变?

  生:回忆并作答。

  师:根据学生回答纠正总结,并用多媒体展示答案。

  1、发生形变的物体,由于要恢复原状,对跟它接触的物体会产生力的作用,这种力叫弹力。

  例如:放在水平桌面上的书受到桌面对书的弹力,弹力的方向垂直桌面指向书;而桌面受到的弹力方向垂直桌面向下。

  挂在电线下面的电灯,受到电线对电灯的弹力,弹力的方向沿着绳而指向绳收缩的方向。

  2、弹力产生的条件是:两物体相互接触且发生弹性形变。

  3、物体的形状或体积的改变叫做形变;当物体发生形变时,如果撤消外力,物体又能恢复原状,这种形变叫弹性形变。

  师:[在投影上展示]用手拉弹簧,弹簧会伸长,用力越大,弹簧伸长也越大,手放开弹簧,弹簧立即恢复原状。请同学们分析演示的实验原理。

  生:……

  师:分析并设问

  弹簧受到拉力会伸长,且平衡时弹簧受到的弹力和外力大小相等,弹簧的伸长越大,弹力也就越大。可见:伸长(原因)→发生形变(原因)→弹力。那么弹力和伸长量之间有什么定量关系呢?本节课同学们通过实验来探究这个关系。

  二、实验探究

  师:[多媒体投影思考题]

  1、采用什么方法给弹簧施力?

  2、弹力的大小如何确定?

  3、需要测量那些数据?如何记录数据?

  4、弹簧能否被过分拉伸?

  5、什么是弹簧的伸长量?用什么测量?

  师:将学生前后两桌四人一组,阅读课文并讨论问题,形成统一答案写在草稿纸上,准备派代表回答。

  生:阅读课文并积极讨论。

  师:在实验室巡视,并询问情况。

  ……

  师:请学生逐一回答……

  师生共同总结:

  1、用悬挂钩码的方法给弹簧施加拉力;

  2、根据二力平衡条件,当钩码平衡时,弹簧产生的弹力和钩码的重力大小相等。

  3、实验需要测量的数据有:弹簧的原长和每次所挂钩码对应的弹簧的长度。数据可用表格记录,也可用有序实数对记录。

  4、加在弹簧上的拉力不能太大,以免弹簧被过分拉伸,超出它的弹性限度。

  5、用直尺测量弹簧挂钩码时的长度与未挂钩码时的长度之差,就是弹簧的伸长量,

  师:将仪器发给学生,每4人一套。

  生:学生讨论并得到实验方法:

  将弹簧上端固定在铁架台的支架上,下端挂上钩码静止时,弹力大小等于重物受的重力,以此测量弹力的大小F,从固定于竖直支架上的刻度尺上测出悬挂重物时弹簧的伸长量x(或总长度)。

  生:学生实验,并列表记录实验数据。

  师:在实验室巡视,检查并指点,让学生进一步思考。抽查学生统计的表格(可能有多种表格),并在实验展台上展示。然后给出参考表格如下:

12345678910
xx0x1x2
Δx0Δx1Δx2
m0m1m2
F0F1F2

  引导学生将表格中数据转化为有序实数对:(F,Δx)

  1、(F1,Δx1) 2、(F2,Δx2) 3、(F3,Δx3)……

  有利于学生利用数学知识,在F -Δx直角坐标系中描点。

  师:根据学生设计表格中测量的数据,示范数据的处理方法。

  [多媒体展示]示范图形:

  1、以弹力为纵坐标,弹簧的伸长为横坐标,建立平面直角坐标系;

  2、根据所测数据,在坐标纸上描点;

  3、按照图中各点的分布与走向,尝试作出一条平滑的曲线(含直线),所画的点不一定正好在这条曲线上,但要注意使曲线两侧的点数大致相同。

  生:学生处理数据……

  师:抽查学生数据处理情况,抽调几张结果在多媒体上展示,并进行点评,好的给予肯定,差的进行修改和鼓励。

  师:1、根据F?Δx图象,猜测F?Δx的函数关系;

  2、函数关系式中常数的单位如何?常数由图象中的什么决定?

  生:讨论并回答。

  师:[投影展示]1、根据图象猜测得到函数:F=kx;

  2、函数表达式中常数的单位是:牛/米(N/m),该常数叫劲度系数。

  三、根据实验总结

  师:根据实验过程,归纳总结实验步骤。

  生:学生归纳总结在草稿纸上。

  师:[多媒体展示]几组学生的归纳总结

  1、测量弹簧的伸长(或总长),及所受的拉力(或所挂钩码的质量),列表作出记录,要尽可能多测几组数据;

  2、将记录数据转化为有序实数对;

  3、以力为纵坐标,弹簧的伸长为横坐标,根据所测数据在坐标纸上描点;

  4、按照图中各点的分布和走向,试作出一条平滑的曲线(包括直线)。把各点连接起来,尽可能让更多的点落到曲线上,不能落到曲线上的点应大致对称分布在曲线两测。

  5、以弹簧伸长为自变量,写出曲线所代表的函数。

  师:归纳实验结论。

  生:在弹性限度内,弹簧弹力的大小F与弹簧伸长的长度Δx成正比。

  四、实验拓展

  师:同学们,前面我们探究了弹力和弹簧伸长的关系,并得到了结论,如果弹簧被压缩,则弹簧的弹力与弹簧压缩的长度之间又有什么关系呢?

  生:学生探索实验……

  总结得到:在弹性限度内,弹簧弹力的大小F与弹簧压缩的长度Δx成正比。

  五、例题分析

  师:[多媒体展示]题目:由实验测得某弹簧的长度L和弹力的关系如图所示,求:
  (1)该弹簧的原长为多少?

  (2)劲度系数为多少?

  生:学生思考并表述观点。

  师:[多媒体给出解答过程]解:弹簧不产生弹力时的长度等于原长,由图可知该弹簧原长为L0=15cm。

  据劲度系数的定义:

  由图线可知,该弹簧伸长Δx=(25cm-15cm)=10cm时,弹力ΔF=50N,所以 N/m=500N/m。

  六、课堂练习(潜能开发,思维上升)

  师:[多媒体]先出示题目,待学生做完后,再出示答案。

  例:某同学在探索弹力和弹簧伸长的关系时,根据实验数据在图上画出了a、b、c、d四个坐标点。
  (1)根据a、b、c、d四个坐标点,画出F?Δx图线;

  (2)由图线,若弹簧原长50cm,要使弹簧伸长到75cm,需要多大拉力(仍在弹性限度内)?

  分析与解答:(1)见图,判断四个坐标点基本在一直线上,使它们均匀分布在直线两侧,这样可以减小偶然误差。

  (2)本题k=600/20(N/cm)=30N/cm,根据F=kΔL,得到拉力F=30×(75-50)N=750N。

  七、家庭巩固练习

  1、实验表明:弹簧弹力f的大小与弹簧的形变量x有如下关系f=kx,下列说法正确的是(  )

  A.式中的k反映了某个具体弹簧的一种性质

  B.k与弹簧所受外力大小成正比

  C.x是弹簧伸长或缩短后的长度

  D.把某弹簧一分两段,k的大小减小一半

  2、有三根完全相同的弹簧,原长为10cm,每根弹簧挂重物G后,弹簧伸长都是1cm。现把三根弹簧依次串接成一条长弹簧,再挂上重物G,则三条弹簧的总长是(  )

  A.31cm

  B.33cm

  C.36cm

  D.30.3cm

  3、一根轻弹簧,上端固定,下端悬挂重量为G的物体,弹簧长度为L1,如弹簧下端固定,上端放同一重物,弹簧长度为L2,该弹簧自然长度为 ,劲度系数为 。

  4、一个弹簧秤,由于原弹簧损坏,换了一个新弹簧。经测试,不挂重物时,示数为2N,挂100N的重物时,示数为92N,那么,当读数为20N时,所挂重物的实际重量是 。

  【教学说明】

  本课内容单纯,最终归结为胡克定律:F=kx。若强迫学生记忆,并加以训练,应对考试,98%的学生是能掌握的,同时还能省一个教学课时。但在中学物理教学中,应对教材进行思想性发掘。对学生进行物理科学研究方法,培养实验研究,理论探索兴趣,献身科学事业等多方面教育。这些教育应渗透在具体课堂教学中。探究弹力与弹簧伸长的关系的教学,不仅仅注重与学生用F=kx解决问题的能力的培养,而且更注重对学生进行物理科学研究方法的熏陶。在本节课的教学中突出了一条研究物理科学的一般方法:“观察现象、初步分析→实验研究→猜测→得出规律→重复实验、检验结论。”

  这种在具体知识教学的同时,进行的科学方法教育,使学生领会研究物理规律的一般方法,其重要性不亚于具体物理知识的学习,因为它对学生来说是终生受益的。

  参考资料:

  [1]《关于物理文化对话》姜水根 北京科学出版社 2002

  [2]《志鸿优化设计》任志鸿 海南南方出版社 2004

  [3]《教材精析精练》丁尧坚 姜启时 北京人民教育出版社 延边教育出版社 2002

  [4]全日制普通高级中学(必修)《物理》第一册 人民教育出版社

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