课题研究名师教学设计1

实验探究——胡克定律拓展

劲度系数和线圈匝数的关系

昆明市第八中学

李霞

【教材分析】

本节课内容是人教版高中物理必修一第三章第二节弹力中关于“胡克定律”内容的拓展探究。弹簧类问题是高中物理力学部分的重点内容之一，同时也是学生学习的难点。

【学情分析】

本节课授课对象是本市重点中学高一的学生，刚学完弹力及胡克定律,具备一定的探究能力。

【实验教学目标】

通过本节课的教学，希望引导学生参与、体验、经历探究的过程，学会科学探究的思路和方法，培养学生科学研究的态度，提高学生动手实践的能力，在原有知识上有所加深，开拓学生的视野。

【实验内容设计】

本实验是“胡克定律”的拓展探究实验，旨在以实验为载体，注重让学生经历探究的过程，培养学生的探究能力。

本实验的教学大致分成四个环节：

明确研究问题

只研究弹簧弹力与匝数的关系

提出探究思路

学生讨论如何控制变量进行研究

经历探究过程

分组：理论探究、实验探究

改进实验，处理数据

1 改进装置、拍照记录数据、电脑软件处理数据

【实验方法设计】

环节1：明确研究问题

本环节以学生体验及讨论为主。通过复习胡克定律，提前给学生准备各种常见的弹簧，引导学生充分讨论“影响弹簧劲度系数”的因素，从实验的难易程度及现有的实验条件出发，选定研究的问题为“弹簧劲度系数和线圈匝数的关系”。

环节2：提出探究思路

本环节以学生讨论分析为主。在明确了只研究线圈匝数对弹簧劲度系数的影响的前提下引导学生讨论如何实现控制变量。学生很容易想到选择材料粗细等都相同的弹簧。进一步要讨论如何只改变匝数，课上学生大致有三个方案。再进一步讨论这些方案的可行性及优缺点，选择较为恰当的方案。

环节3：经历探究过程

本环节以学生分组探究为主。一部分同学以小组为单位按照环节2的方案进行实验探究，另一部分同学利用所学知识进行理论推导探究。之后请同学交流分享探究的结果。

环节4：改进实验，处理数据

本环节教师给学生提供改进实验装置的方法，学生进行实验体验，最后在教师指导下采集数据、处理分析数据、得出结论。

实验装置改进如下：

传统胡克定律实验装置一般采用分次悬挂钩码、记录钩码数量及相应弹簧长度、描点作图求劲度系数的方法。改进后的装置选择完全一样的多个弹簧同时实验，可以让实验更直观简单。只需要保证弹簧完全一样，等间距悬挂，依次等量增加钩码数量，则可以以水平方向为力的方向，竖直方向为弹簧长度，弹簧上相同位置的标记点连成的直线的斜率即表示该弹簧劲度系数k的倒数2

1/k，如下图1所示。

图1

在此基础上进一步改进，在每个弹簧相同匝数的地方做上标记，则该标记点连成的图像的斜率就是相应匝数线圈劲度系数k的倒数1/k，如下图2所示。

图2

再进一步改进，可以将弹簧每间隔一定匝数进行一个标记，比如每十匝做一个标记，则一次实验可以同时得到多个数据。

实验数据记录及处理如下：

1.

为了便于采集数据，要在弹簧后面放上带有刻度的木板，精确度以1cm为佳。

2.

由于描点麻烦且误差大，所以可以让学生直接用手机对准实验装置进行拍照。

3.

照片导入电脑后可利用绘图工具直接拟合相同匝数对应的3

标记点所成直线。

4.

打印图片，利用背板上的刻度直接计算每条线的斜率，即为相应匝数弹簧所对应的劲度系数k的倒数。具体实验结果如下图3所示：

图3

5.

将匝数和相应的1/k记录下来，用Excel进行数据处理，尝试拟合k-n关系，由于图像很像反比例函数，所以进一步尝试拟合1/k-n关系，结果为一条直线，数据及图像如下图4所示：

图4

6.

实验结论：弹簧劲度系数和线圈匝数成反比。

【教学过程设计】

4

教学过程以学生讨论及体验为主，教师以问题讨论的形式引导学生逐层深入讨论和探究，最后对实验进行改进，对实验手段及方法进行拓展。

一、讨论部分的主要问题如下：

1.

印象弹簧劲度系数的因素有哪些？

2.

影响进度系数的因素中哪一个较为好研究？

3.

如何做到只研究匝数对劲度系数的影响？

4.

如何实现只改变线圈的匝数？

学生方案如下：

a)

方案一：两相同弹簧串联，实现匝数的增加 b)

方案二：同一弹簧减掉一部分，实现匝数的减少 c)

方案三：在同一弹簧上不同位置做标记，测量标记点受力情况下的位移，求相应匝数对应的k 5.

以上方案误差如何？

二、实验探究部分：

充分讨论后将进行具体探究，探究过程分组完成，分为理论探究和实验探究两大组，每一组又分小组协作完成探究，之后交流探究的结果。

三、实验创新、思路拓展部分：

最后教师拓展实验的方法和思路，对实验装置提出改装方案，指导学生体验新的实验装置，用新的方法采集处理数据，归纳出实验结果。（具体过程见实验方法设计第4个环节）

【教学反思与自我评价】

1.

本节课是胡克定律的拓展探究，相比探究的结果而言，让学生通过经历探究的过程、提高实际探究的能力更为重要。课上学生通过讨论、实验基本达到目标。

2.

本节课在实验装置上有所改进和创新，是一个新的尝试，同时5

也可以给学生提供不一样的实验方案，拓展学生的思路，激发学生的兴趣。

3.

实验数据的处理用到了手机拍照、电脑软件处理等手段，操作简单、误差小的同时也给学生提供了用生活中常见的工具做研究的思路。

4.

本节课还存在着一些不足可以进一步改进。首先，一节课完成教学略显紧了一点，如果时间更充分一些，可以让学生参与、感受的更充分。其次最后的实验结果仍存在一定误差，还可以再进行下实验误差的讨论分析，培养学生客观科学的看待误差，想办法减小误差。

参考资料：

人教版高一物理必修一

《物理教学》2016年第5期《直观型胡克定律演示实验创新设计》

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