2025--2026年高中物理人教版必修一 2.1《实验：探究小车速度随时间变化的规律》教学设计（表格式）

《2.1 实验：探究小车速度随时间变化的规律》 课时教案
学科 物理 年级册别 高一上册 共1课时
教材 人教版高中物理必修第一册 授课类型 实验探究课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于人教版高中物理必修第一册第二章第一节，是学生在学习了“运动的描述”之后，首次通过实验手段探究物体运动规律的实践性内容。教材通过引导学生使用打点计时器测量小车在斜面上运动时的位移与时间关系，进而计算各点瞬时速度，绘制v-t图像，最终得出“匀变速直线运动的速度随时间均匀变化”的结论。该实验不仅是对前一章知识的深化应用，更是后续学习加速度、牛顿第二定律的重要基础，在整个力学体系中具有承上启下的关键作用。
学情分析
高一学生已初步掌握位移、时间、速度等基本物理概念，具备一定的实验操作意识，但对“瞬时速度”“平均速度与瞬时速度的关系”理解仍较模糊。学生首次接触打点计时器，对仪器原理、纸带处理方法不熟悉，易出现操作失误或数据误读。同时，从实验数据中提炼规律的能力较弱，数据分析和图像处理技能尚在形成阶段。针对此，教学中需强化动手指导，通过情境驱动和小组合作降低认知负荷，借助数字化工具辅助分析，帮助学生跨越思维障碍，建立“实验—数据—规律”的科学探究路径。
课时教学目标
物理观念
1. 理解利用打点计时器记录物体运动过程的基本原理，掌握通过纸带数据计算某点瞬时速度的方法。
2. 能根据实验数据绘制小车速度—时间图像，并从中识别出速度随时间均匀变化的特征，初步建立匀变速直线运动的物理图景。
科学思维
1. 经历“提出问题—设计实验—收集数据—分析图像—得出结论”的完整探究过程，发展逻辑推理与归纳概括能力。
2. 学会用v-t图像描述运动规律，理解图像斜率的物理意义，提升模型建构与图像分析能力。
科学探究
1. 能独立完成实验装置的搭建、纸带的获取与数据的测量，具备基本的实验操作与数据处理能力。
2. 在小组合作中合理分工，有效交流，共同解决实验中出现的问题，提升合作探究与问题解决能力。
科学态度与责任
1. 养成实事求是的科学态度，尊重实验数据，不随意篡改或忽略异常数据。
2. 在实验中增强安全意识，规范操作电器设备，体会科学探究的严谨性与协作价值。
教学重点、难点
重点
1. 掌握利用打点计时器测量小车运动速度的基本方法，理解“用平均速度代替瞬时速度”的思想。
2. 能根据实验数据绘制v-t图像，并从中得出“速度随时间均匀变化”的规律。
难点
1. 理解“用较短时间内的平均速度近似代替某时刻瞬时速度”的科学思想及其适用条件。
2. 准确处理纸带数据，合理选择计数点，减小测量误差，正确绘制并解读v-t图像。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法、实验法
教具准备
打点计时器（电磁式）、学生电源、小车、长木板、刻度尺、纸带、复写纸、导线、坐标纸、计算器、多媒体课件
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入
【5分钟】 一、创设情境，提出问题。 （一）、播放视频，引发思考。
教师播放一段汽车在平直公路上从静止开始加速行驶的慢动作视频，画面中汽车的速度表指针缓慢而稳定地上升。随后，教师提问：“同学们，我们看到汽车的速度在不断增加，那么它的速度是如何随时间变化的？是均匀增加的吗？还是忽快忽慢？我们能否用一种科学的方法来‘看见’它的速度变化规律？”
学生可能会回答“应该是均匀加快的”或“不知道，要看具体情况”。教师顺势引导：“在生活中，我们很难用肉眼准确判断速度的变化细节。但在实验室里，有一种神奇的仪器，它就像一位不知疲倦的‘时间记录员’，能把物体每一小段时间内的位置都清晰地记录下来。今天，我们就请出这位‘记录员’——打点计时器，来帮助我们揭开小车速度变化的秘密。”
（二）、回顾旧知，建立联系。
教师在黑板上画出一条直线，标出几个等间距的点，代表小车在不同时间的位置。提问：“如果我只知道小车在0秒时在A点，2秒后在B点，我能知道它在第1秒末的速度吗？”引导学生回忆平均速度公式v=Δx/Δt，计算出0-2秒内的平均速度。接着追问：“这个平均速度能代表第1秒末的瞬时速度吗？在什么情况下可以近似代替？”通过讨论，引导学生理解：当时间间隔越短，平均速度越接近该时间段中间时刻的瞬时速度。这为后续“用相邻两点间的平均速度代表中间时刻瞬时速度”的实验思想埋下伏笔。
（三）、明确任务，激发探究欲望。
教师展示实验装置实物，并清晰地陈述本节课的任务：“今天，我们将让小车拖着纸带，在打点计时器的帮助下沿斜面下滑。通过分析纸带上留下的点迹，测量位移和时间，计算出小车在不同时刻的速度，最终绘制出速度—时间图像，亲自探究小车速度究竟是如何随时间变化的。这是一次真正的科学探险，你们准备好了吗？” 1. 观看视频，思考汽车速度变化的方式。
2. 回忆平均速度与瞬时速度的概念，参与讨论。
3. 明确实验任务，产生探究兴趣。
4. 观察实验装置，初步了解器材组成。
评价任务 理解情境：☆☆☆
提出问题：☆☆☆
明确任务：☆☆☆
设计意图 通过生活化视频创设真实问题情境，激发学生好奇心与探究欲。以“如何看见速度变化”为核心问题驱动，自然引出打点计时器这一关键工具。通过复习平均速度与瞬时速度的关系，为实验中“用平均速度代替瞬时速度”的科学方法提供理论支撑，降低后续理解难度。明确任务指令，使学生带着目标进入实验环节。
实验准备与原理讲解
【8分钟】 一、认识仪器，理解原理。 （一）、讲解打点计时器工作原理。
教师拿起打点计时器，结合多媒体课件中的动态示意图进行讲解：“这是电磁打点计时器，它内部有一个线圈，当接通4-6V交流电时，线圈会产生周期性变化的磁场，带动振针上下振动。振针的频率与交流电频率相同，我国民用交流电频率为50Hz，因此振针每秒振动50次，即每隔0.02秒打一个点。当纸带穿过限位孔并随小车运动时，振针就在纸带上留下一系列等时间间隔的点迹。相邻两点间的时间间隔就是0.02秒。这些点迹就像时间的脚印，忠实地记录了小车的运动轨迹。”
教师强调：“打点计时器打出的点迹不仅记录了时间，也记录了位置。两点间的距离反映了小车在0.02秒内的位移。这是我们获取数据的基础。”
（二）、演示实验装置搭建。
教师在讲台上逐步演示实验装置的组装过程：先将长木板一端垫高形成斜面，固定打点计时器于木板高端，将纸带一端固定在小车上，另一端穿过打点计时器的限位孔，并压上复写纸片。连接学生电源，调整电压至6V交流档。提醒学生注意：小车应靠近打点计时器放置，先启动打点计时器，待打点稳定后再释放小车；实验结束后先关闭电源再取纸带。
（三）、讲解数据处理方法。
教师展示一条已打出点的纸带，用红笔圈出几个清晰的点。讲解：“为了减小测量误差，我们通常每5个点取一个计数点，即每隔0.1秒取一个点。这样时间间隔较大，测量距离更准确。例如，从第一个清晰点开始，第1个计数点是第1个点，第2个计数点是第6个点，第3个计数点是第11个点，以此类推。”
接着，教师重点讲解速度计算方法：“如何求第2个计数点的瞬时速度？我们采用‘中间时刻瞬时速度等于该段时间内的平均速度’的方法。即用第1到第3个计数点之间的位移除以对应的时间间隔（0.2秒）。公式为：v = (x - x ) / (2T)，其中T=0.1s。这种方法利用了匀变速运动的规律，能有效减小误差。” 1. 认真听讲，理解打点计时器的工作原理。
2. 观察教师演示，熟悉实验装置的连接方法。
3. 理解计数点的选择原则和瞬时速度的计算方法。
4. 记录关键操作步骤和计算公式。
评价任务 认识仪器：☆☆☆
理解原理：☆☆☆
掌握方法：☆☆☆
设计意图 通过实物与多媒体结合，直观展示打点计时器的结构与工作原理，帮助学生建立清晰的物理图像。规范演示实验操作流程，强调安全与操作要点，预防常见错误。重点突破“用平均速度代替瞬时速度”这一核心思想，通过具体案例讲解计算方法，为学生后续独立处理数据奠定坚实基础。讲解过程逻辑清晰，层层递进，确保学生“知其然，更知其所以然”。
分组实验与数据采集
【15分钟】 一、分组实验，动手操作。 （一）、组织分组，明确分工。
教师将全班分为8个实验小组，每组4人。明确分工建议：1号同学负责释放小车，2号同学负责操作电源开关，3号同学负责固定纸带并确保其顺畅通过，4号同学负责记录原始数据。强调小组合作的重要性：“实验的成功离不开每个人的努力，大家要相互配合，及时沟通。”
（二）、指导操作，巡视指导。
各小组开始实验。教师在教室内巡视，重点关注以下环节：检查打点计时器安装是否牢固，纸带是否平整穿过限位孔，复写纸是否正确放置，电压是否调至6V交流档。观察学生操作顺序是否正确——是否先通电打点，再释放小车。对于操作不规范的小组，及时纠正。例如，有小组先放小车再通电，导致纸带前端无点迹，教师立即提醒：“记住口诀：先打点，再放手；先关电，再取带。”
（三）、获取纸带，筛选数据。
每个小组至少完成两次实验，选择点迹清晰、分布均匀的一条纸带进行数据处理。教师提醒：“如果点迹过密或过疏，可能是电压不稳或小车运动不畅，可调整斜面倾角或重新实验。”待学生获得理想纸带后，用剪刀剪下该段，准备测量。
二、测量位移，记录数据。 （一）、指导测量方法。
教师发放数据记录表，表头包括：计数点序号n、时间t(s)、对应点到起点的距离x (m)、相邻位移差Δx(m)等。指导学生用刻度尺测量各计数点到起始点O的距离x ，精确到毫米。强调测量时视线要与尺面垂直，避免视差，可多次测量取平均值以提高精度。
（二）、监督数据记录。
学生将测量结果填入表格。教师继续巡视，抽查数据记录是否规范，单位是否统一，提醒学生及时记录，避免遗忘。对于出现明显错误的测量（如距离递减），引导学生检查纸带方向是否弄反或测量点是否错位。 1. 小组分工合作，搭建实验装置。
2. 按照规范流程进行实验操作，获取纸带。
3. 选择点迹清晰的纸带，测量各计数点到起点的距离。
4. 如实填写数据记录表，确保数据准确。
评价任务 规范操作：☆☆☆
数据准确：☆☆☆
合作有效：☆☆☆
设计意图 通过分组实验，让学生亲历科学探究的全过程，培养动手能力和团队协作精神。教师巡视指导，及时发现并纠正操作误区，确保实验数据的可靠性。强调数据的真实记录与筛选，培养学生严谨的科学态度。测量环节注重细节指导，提升学生的实验技能和数据处理意识，为后续分析提供高质量原始数据。
数据分析与规律探究
【12分钟】 一、计算速度，填写表格。 （一）、示范计算过程。
教师在黑板上展示本组的纸带数据示例（假设x =2.00cm, x =6.00cm, x =12.00cm, x =20.00cm, x =30.00cm）。以第2个计数点为例，详细演示速度计算：“v = (x - x ) / (2T) = (12.00 - 2.00) × 10 m / (2 × 0.1 s) = 0.10 m / 0.2 s = 0.50 m/s”。同理计算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。强调计算中单位换算的重要性，提醒学生将厘米换算为米。
（二）、学生独立计算。
各小组根据自己的测量数据，按照相同方法计算各计数点对应的瞬时速度，并填入表格。教师巡视，解答计算中的疑问，如“为什么不用相邻两点算速度？”再次解释用“前后两点间距”是为了增大时间间隔，减小相对误差。
二、绘制图像，寻找规律。 （一）、指导绘图步骤。
教师在多媒体上展示坐标纸，讲解v-t图像绘制要点：横轴为时间t（单位：s），纵轴为速度v（单位：m/s）；选择合适的标度，使图像尽量布满坐标纸；将(t ,v )、(t ,v )…各点在坐标系中描出；最后用平滑的直线或曲线连接各点，观察整体趋势。
（二）、学生绘制图像。
学生在坐标纸上描点连线。多数小组会发现各点基本落在一条直线上。教师引导：“你们的点连起来像什么？是直线吗？如果是直线，说明速度和时间有什么关系？”
（三）、引导归纳结论。
教师邀请几组代表展示他们的v-t图像，并分享发现。当多组都得到近似直线时，教师总结：“大家的实验结果高度一致——速度—时间图像是一条倾斜的直线。这意味着什么？说明小车的速度随时间均匀增加，即每过相同的时间，速度的增加量是相同的。这种运动，我们称之为匀加速直线运动。这就是我们今天通过实验探究出的核心规律。” 1. 根据公式计算各计数点的瞬时速度。
2. 将速度与时间数据对应，填入表格。
3. 在坐标纸上描点并绘制v-t图像。
4. 观察图像特征，尝试归纳速度变化规律。
评价任务 计算正确：☆☆☆
图像规范：☆☆☆
结论合理：☆☆☆
设计意图 通过教师示范与学生实践相结合，确保速度计算方法的准确掌握。绘图环节培养学生的数据可视化能力，将抽象数据转化为直观图像。通过观察多组实验结果的共性，引导学生从个别到一般进行归纳，得出“速度随时间均匀变化”的科学结论，经历完整的“证据—解释”过程。展示与交流环节增强学生表达能力与批判性思维。
课堂总结与升华
【5分钟】 一、回顾过程，结构化总结。 （一）、梳理探究路径。
教师带领学生回顾整节课的探究历程：“我们从一个生活问题出发——如何观察速度变化？引入打点计时器作为记录工具，通过实验获取纸带；再用‘用较短时间内的平均速度近似代替瞬时速度’的方法处理数据；最后通过绘制v-t图像，发现图像呈直线，从而得出小车做匀加速直线运动的结论。这一过程，正是伽利略开创的‘实验+数学’科学研究范式的生动体现。”
（二）、升华科学精神。
教师深情总结：“同学们，今天我们不只是在做一次实验，更是在重走科学家探索自然规律的道路。每一个点迹，都是时间的低语；每一条直线，都是规律的显现。伽利略曾说：‘自然之书是用数学语言写成的。’而我们今天，正是用打点计时器这支笔，用v-t图像这张纸，亲手写下了属于我们自己的‘自然之书’的一页。希望你们永远保持这份好奇与严谨，用实验去追问，用数据去回答，在探索真理的道路上，走得更远，看得更清。” 1. 跟随教师回顾实验探究全过程。
2. 理解科学探究的基本方法与步骤。
3. 感受科学发现的严谨与美感。
4. 树立尊重实验、追求真理的科学态度。
评价任务 回顾流程：☆☆☆
理解方法：☆☆☆
情感认同：☆☆☆
设计意图 通过结构化总结，帮助学生系统梳理“问题—实验—数据—图像—结论”的完整探究链条，强化科学方法论。引用伽利略名言，将本节课的实验活动提升至科学史与科学哲学的高度，激发学生的科学情怀与使命感。优美的总结语让学生在知识之外，感受到物理探究的理性之美与精神之光，实现情感态度与价值观的升华。
作业设计
一、数据再处理
某小组实验得到的纸带上，从起点开始，每5个点取一个计数点，测得各计数点到起点的距离分别为：x =3.00cm，x =7.50cm，x =13.50cm，x =21.00cm，x =30.00cm。已知打点计时器所用交流电源频率为50Hz。
（1）求出计数点2、3、4对应的瞬时速度v 、v 、v 。
（2）以时间t为横轴，速度v为纵轴，建立坐标系，描点并画出小车的速度—时间图像。
（3）根据图像判断小车的运动性质，并估算其加速度大小。
二、误差分析
在本实验中，可能存在哪些因素导致测量结果出现误差？请至少列举三点，并提出相应的改进措施。
三、拓展思考
如果将长木板水平放置，给小车一个初速度，使其拖着纸带运动，你预测它的v-t图像会是什么形状？这说明小车在做什么运动？请简要说明理由。
【答案解析】
一、数据再处理
（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）描点：(0.1, 0.525), (0.2, 0.675), (0.3, 0.825)，连线得一条直线。
（3）图像为直线，说明小车做匀加速直线运动。加速度a = Δv/Δt = (0.825 - 0.525)/(0.3 - 0.1) = 0.3 / 0.2 = 1.5 m/s 。
二、误差分析
1. 测量位移时存在读数误差 → 改进：使用精度更高的测量工具，多次测量取平均值。
2. 打点计时器打点不稳定或电压波动 → 改进：检查电源稳定性，确保打点清晰。
3. 纸带与限位孔间有摩擦 → 改进：保持限位孔清洁，纸带平直，减小阻力。
板书设计
2.1 实验：探究小车速度随时间变化的规律
【核心问题】
小车速度如何随时间变化？
【实验器材】
打点计时器、小车、纸带、电源、刻度尺
【原理】
T = 0.02s（每两点）
计数点：每5点取1点 → t = 0.1s
瞬时速度：v = (x - x ) / (2T)
【数据处理】
1. 测距离 x
2. 算速度 v
3. 描点作图 v-t
【结论】
v-t图像为直线 → 速度随时间均匀增加 → 匀加速直线运动
【科学方法】
实验观察 → 数据采集 → 图像分析 → 归纳结论
教学反思
成功之处
1. 以生活情境导入，有效激发了学生探究兴趣，问题驱动贯穿始终，课堂主线清晰。
2. 注重科学思想渗透，对“用平均速度代替瞬时速度”的讲解深入浅出，帮助学生理解实验设计的精妙之处。
3. 学生动手参与度高，小组合作有序，多数小组能独立完成实验并得出正确结论，达成了预期目标。
不足之处
1. 个别小组因操作不熟练导致纸带点迹不清晰，影响数据质量，今后需加强实验前的模拟训练。
2. 数据处理环节时间稍显紧张，部分学生计算速度时单位换算出错，需在后续课程中强化单位意识。
3. 对v-t图像斜率即加速度的概念仅作提及，未深入展开，可作为下节课的衔接点。