《探究弹力和弹簧伸长的关系》教学设计

　　【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。

 

　　本节课的教学内容新颖，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：

 

 

　　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

 

　　[5]《中国中学教学百科全书》（物理卷）阎金锋   沈阳出版社   1990