【教学设计】《实验：用打点计时器测速度》（人教）

《实验:用打点计时器测速度》
物理学是一门以实验为基础的自然科学。本节课为实验课，目的是让学生自主探究学习打点计时器的使用方法，测定物体牵引纸带的速度，并尝试用图像的方法来表示速度随时间变化的关系。根据瞬时速度是在无限短时间内的平均速度的思想方法，让学生用求平均速度的方法，粗略表示物体运动的瞬时速度。教材这样处理更进一步加深了上节课对平均速度和瞬时速度概念的理解,也为学习下一节“加速度”概念奠定基础。
知识与技能
1、了解打点（电火花）计时器的计时原理，理解纸带中包含的物体运动的时间、位移信息。
2、会安装纸袋并使用打点计时器，理解根据纸带记录的信息来测量平均速度和瞬时速度的原理。
3、明确速度—时间图像的物理意义，描点法画图像的方法，并画出该实验中的速度—时间图像，能从图像中获取有用的信息。
过程与方法
1、通过学生分组动手实验，培养学生合作学习的能力。
2、通过实验得出物体的运动信息，用数学方法表述出来。培养学生获取信息、处理信息的能力，体会处理问题的方法，领悟如何间接测一些不能直接测量的物理量的方法。
3、通过画速度—时间图像培养学生用图像法处理数据的能力，体验数学工具在物理发展中的作用。
情感态度与价值观
1、体验用图像的方法描述物理现象的简洁性。培养学生敢于创新和实事求是的科学态度和科学精神。
2、培养学生合作与交流的精神，养成在合作中既坚持原则又尊重他人的习惯。
教学重点：
1、学会使用打点计时器。
2、能根据纸带计算物体运动的瞬时速度。
3、会用描点法描绘物体的速度—时间图像，并从中获取物理信息。
教学难点：
确定相邻两点间的时间，并能根据纸带计算物体在某点的瞬时速度。
教学PPT，电磁打点计时器，电火花计时器，学生电源，纸带等。
一、新课导入
教师提问：你能测量出一只飞舞的蜻蜓的瞬时速度吗？
学生思考，教师表述：飞舞的蜻蜓运动轨迹一般是曲线，要想测得运动的速度是十分困难的，学习的过程也是由易到难，所以我们今天把这个问题放一放，先学习测量物体直线运动的速度好不好。
当物体沿直线运动时，其位移在不断变化，要研究物体的运动，我们首先要准确记录物体运动的信息。直接测量物体运动的速度在技术上是比较复杂的，同学们回顾一下上节课中我们学均速度和瞬时速度的定义，想一想，如果我们想测量作直线运动物体的速度，大概都要测量出哪些物理量值。
学生讨论：应该测出物体运动的位移和所对应的时间。
教师表述：很好，我们在测量时可以尝试通过测量物体运动的时间和位移，在实验中，我们可以使用秒表和尺子，直接测量物体运动的时间和位移，但当物体运动速度较快时，采用这种方法的测量误差较大。所以我们就专门设计出一种可以同时记录物体运动位移和时间的仪器：打点（电火花）计时器。今天就让我们一起来认识它。
二、新课教学
1、电磁打点计时器
布置学生对照仪器看说明书，引导学生注意其重点：观察打点计时器并阅读其使用说明书，明确电磁打点计时器的结构、各部分的名称、工作原理及使用方法。
教师表述：
电磁打点计时器是一种使用交流电源的计时仪器，如下图所示。工作电压为4V～6V，所以需要使用学生电源把市电降压后使用。当电源的频率是50Hz时，它每隔0.02s打一次点。通电以前，把纸带穿过限位孔，再把套在轴上的复写纸片压在纸带的上面。当接通电源时，线圈产生的交变磁场使振动片（由弹簧钢制成）磁化，振动片的一端位于永久磁铁的磁场中。由于振动片的磁极随着电流方向的改变而不断变化，在永久磁铁的磁场作用下，振动片将上下振动，其振动周期与线圈中的电流变化周期一致，即为0.02s。位于振片一端的振针就跟着上下振动起来在运动的纸带上打出一系列小点。
电磁打点计时器
教师带领学生讨论：
电磁打点计时器工作使用的是交流电源，大家想一想能不能使用直流电源，为什么？
教师指导学生得出结论：打点计时器工作原理是靠电流方向的改变来改变磁铁的磁场方向，从而促使振动片上下振动，而直流电的方向总是恒定不变的，所以不能驱动计时器连续工作。
2、电火花计时器
布置学生对照仪器看说明书，明确两种打点计时器的结构、各部分的名称、工作原理、使用方法以及不同之处。
电火花计时器电火花计时器的外形如下图所示。
图1－4－2
教师表述：
电火花计时器可以直接使用220V交流市电，将墨粉纸盘的中心孔套在纸盘轴上，将纸带从限位槽中穿过，并且要让墨粉纸盘夹在两条纸带之间。这样当两条纸带运动时，也能带动墨粉纸盘运动，当按下脉冲输出开关时，放电火花不至于始终在墨粉纸盘的同一位置而影响到点迹的清晰度。也可以用上述尺寸的白纸带和墨粉纸带（位于下面）做实验，还可以用两条白纸带夹着一条墨粉纸带做实验；墨粉纸可以使用比较长的时间，一条白纸带也可以正反双面使用。
教师小结：
相同处
都使用50hz的交流电，每隔0.02s记一次点
不同处
使用的电压不同，记录点迹的原理不同
教师提问：
（1）从结构原理上考虑，电火花计时器跟电磁打点计时器相比，哪个误差可能会更小一些？
生：电火花计时器可能会更好些，因为电磁打点计时器中振针和纸带间的摩擦会更大些。
教师评论并总结。
（2）打点计时器能记录哪些信息？
生：时间和位移。
下面的时间交给学生自主探究。
三、练习使用打点计时器
1、课堂活动：学生自主阅读教材P20中的实验步骤提示。
教师指导学生动手练习使用打点计时器，并引导学生思考：纸带上的点与手的位移和时间是如何对应的，怎样将纸带上的点变成相关的数据？
教师提问：
（1）振针打的点不清晰或打不出点可能是哪些原因 怎样调整？
（2）开启电源打点完毕后要及时关闭电源，这样做有什么好处？
（3）处理纸带时，从能够看清的某个点开始，往后数出若干个点。如果数出n个点，这些点划分出来的时间间隔数是多少？
学生讨论回答，教师纠正：
（1）略
（2）打点计时器是按间歇工作设计的，长期工作可能会因线圈发热而损坏
（3）共（n－1）个。
2、学生亲自手拉纸带练习使用打点计时器，自己设计表格，记录测量数据。
教师提问：
（1）怎样根据纸带上的点迹计算纸带的平均速度？
（2）如果纸带上的点迹分布不均匀，那么，点迹密集的地方表示运动的速度较大还是较小？
学生讨论，教师指导。
（1）测出两个点间的距离，数一下这两个点间共有多少个时间间隔，即有多少个0.02
s，用这个总距离去除以所需用的时间。
2、出示下列纸带的图片，请同学们讨论后用语言描述每条纸带的运动情况如何。
（1）
（2）
（3）
（4）
学生回答，教师补充：（1）、（2）的各点分布较为均匀，是匀速运动，但从点子的疏密程度来看，（2）上的点子较稀疏，所反映的物体运动较快，速度较大。
（3）表示物体运动得越来越快，速度在增大；
（4）表示物体运动得越来越慢，速度在减小。
四、用打点计时器测量瞬时速度
课堂活动，请同学们阅读课本P21页相关内容，说说用打点计时器测量瞬时速度的思想方法大概是什么？
思想方法：用某段时间内的平均速度粗略代表这段时间内的某点的瞬时速度。所取的时间间隔越接近该点，这种描述方法越准确。
示例：如下图测量出包括E点在内的D、F两点间的位移Δx和时间Δt，算出纸带在这两点间的平均速度=，用这个平均速度代表纸带经过E点时的瞬时速度。
可以粗略的表示E点的瞬时速度，D、F两点离E点越近，算出的平均速度越接近E点的瞬时速度。然而D、F两点距离过小，时间过短，则测量误差也会增大，应该根据实际情况选取这两个点。
学生活动，根据粗略表示某点瞬时速度的方法，选择合适的计数点，测量包含这个点的一段时间内的位移Δx，同时记录对应的时间Δt，填入教材P21页设计好的表格中。
五、用图像表示速度
教师描述：刚才我们从填入表中的数据可以粗略看出我们自己手拉纸带运动的速度变化情况，但是比较抽象，而图像法是表示变化规律的好方法之一，我们可以尝试用图像来描述物体的速度变化情况，那么怎样用图像来表示物体运动的速度呢？请同学们阅读课本P22面内容后回答。
学生回答，教师补充：在方格纸上建立直角坐标系，用纵坐标表示物体运动的速度，用横坐标表示运动对应的时间，将（v，t）作为一组坐标在图像中描点，将点连线后得出的图像称为速度—时间图像（v-t图像），简称速度时间图像。
学生具体操作描点，教师提问：我们用折线还是用平滑曲线连接这些点比较好呢？
学生讨论，尝试回答。
教师总结：速度时间图像实际变化应该是比较平滑的，不存在速度“突变”的情况。所以，如果用一条平滑的曲线来“拟合”这些点，曲线反映的规律应该与实际情况更接近。
略
教材分析
教学目标
教学重难点
课前准备
教学过程
教学反思