学生实验课时教学实录

创新实验《用手机拍照探究自由落体运动的规律》设计稿

一、说教材、学情

教材分析：本课选自高中物理必修1第2章第5节，课本中为了研究自由落体运动设计了打点计时器法和频闪照相法，本节实验课作为自创的创新性实验，是对课本中两种方法的一种取长补短的改进。

学情分析：学生在之前研究匀变速直线运动时已经初步掌握了使用打点计时器和纸带的方法，能够分析纸带，借助图像法等分析匀变速直线运动的规律。

学生对频闪照相法也有一定的了解。

二、实验改进要点：

课本中探究自由落体运动时采用的方法是利用打点计时器打出的纸带来分析自由落体运动，或者采用频闪照相的方法来研究自由落体运动的性质，这两种方法都有一定的局限性，打点计时器法在重物下落时纸带与限位孔有摩擦，而频闪照相法需要用ps软件将多张照片合成为一张，为了尽可能的使两种方法的不足之处得到克服，本人设计了利用智能手机中的FV—5专业照相软件，使的小钢球在下落过程中的连续相等时间间隔后的图像直接展现在手机上，还可实现手机和教室投影屏幕的共享，该方法不需要借助纸带和打点计时器，也不需要频闪的多张照片集成为一张。

三、实验原理：

实验器材：

装有软件camera FV-5的智能手机，手机支架（自拍杆）

，银色钢球，小型电动机，遮光转盘，学生电源，米尺，黑色背景板，背景板支架，光电计时器及光电门，电磁铁，开关及导线若干；

自制实验器材与功能说明

：

1.遮光转盘

功能：使手机相机的镜头得到周期性的曝光

（每个缺口部分角度值为10度）

2.黑色背景板

功能：与转盘颜色一致，能够衬托出银色

小钢

球下落时的运动情况

3.手机、电动机（拍摄装置部分）

功能：安装有FV-5软件的手机和电动机组

合后能够很好地拍出下落连续相等

时间间隔后小球的位置

实验原理

1.调长相机的曝光时间，在曝光时间内小球下落的轨迹就会显示在一张照片上，如果没有遮光转盘，钢球的图像会连成一条线。在手机镜头前安装如图所示的遮光转盘，遮光转盘由匀速转动的电动机带动，手机的镜头就会被遮挡一定的相等时间间隔，记为T。

2.在手机快门按下的同时，控制电磁铁让小钢球自由下落，手机镜头就会记录钢球下落瞬间的轨迹，由于遮光转盘的遮挡，手机只能照到相等时间间隔后小钢球的位置。用光电门和光电计时器就可以得到遮光转盘的遮光时间间隔，即相等时间间隔T。

3.利用刻度尺可测出照片上小球间的距离，进而可以研究小球自由下落时的运动规律，

并可求出小球的加速度。

四、实验教学目标：

（一）知识与技能

1．会运用已学知识处理照片，求各位置瞬时速度；

2．会用表格法处理数据，并合理猜想；

3．巧用v-t图象处理数据，观察规律；

4．会利用图像法和逐差法求解重力加速度，并且了解自由落体运动是匀变速直线运动；

（二）过程与方法

1．初步学习根据实验要求设计实验，完成某种规律的探究方法；

2．初步学会根据实验数据进行猜测探究、发现规律的探究方法；

3．认识数学化繁为简的工具作用，直观地运用物理图象展现规律，验证规律；

（三）情感、态度价值观

1．通过对照片的实验数据处理，培养学生实事求是的科学态度，能使学生灵活地运用科学方法来研究问题、解决问题、提高创新意识；

2．在对实验数据的猜测过程中，提高学生合作探究能力；

3．通过经历实验探索过程，体验运动规律探索的方法。

五、实验教学过程：

（一）引入新课：

我们已经学习了用打点计时器研究匀变速直线运动的规律，课本上还给我们介绍了可以用频闪相机的方法来研究，或者有普通相机连拍之后，将它们合成的办法来研究，那么同学

们，我们是否可以用每个同学都有的普通智能手机拍出频闪相机拍出的照片效果呢？

（二）开始授新课：

我们知道普通的相机长曝光之后，会拍出飞火流星的效果，因为相机可以将在曝光时间内的所有图样重叠在一起，假如我们可以将这些图样按照相邻相同时间间隔出现，那么就可以和打点计时器一样将自由落体运动的物体在同一张照片里记录他们相邻相同时间间隔内的位置，进而可以研究自由落体运动的规律。

①让学生自己设计好实验，并口头阐述相关实验器材及步骤。

设计提问：

问题一：如何让手机照相在相邻相同时间间隔内记录图样呢？

（引导：只需要在曝光时间内进行相邻相同时间间隔内遮光和见光，遮光时无图样，见光时记录图样）

问题二：你所设计的实验需要哪些实验器材、实验步骤？

实验步骤：

1.安装实验器材如图所示：

将智能手机固定在支架上，并将曝光时间调成1秒，带有遮光转盘的马达用支架固定在相机镜头前面，带有刻度尺的黑色背景放在镜头前一定位置处；

2.请1号同学闭合电磁铁开关，让电磁铁吸住钢球，静止在距离地面1.5米刻度尺刻度为零处；

3.打开电动机让遮光转盘转动起来达到稳定状态。

4.打开光电计时器，功能调到s1档开始计时；

5.请2号同学将手机镜头放置在遮光转盘前，按下相机快门之后1号同学马上断开电磁铁开关释放钢球。

6.停止光电计时器计时功能，记录遮光时间。

7.多次重复实验步骤2-6，挑选优质照片。

②引导学生熟练地摆好器材，进行合理、准确地操作，得到一张刻度清晰图又明显的照片

注意：引导学生“三思而后行”，注意实验逻辑性、合理性及其相关注意事项，而确保准确，并巡视全场，对出现的问题予以及时纠正。

③处理照片上的实验数据。

问题三：如何计算出各位置球的速度？

用求平均速度的方法来代替（用计算较准确的平均速度来代替），如何代替？（选择包括该

点在内的一段位移（该点最好处在中间时刻位置）Δx，找出对应的时间Δt，用Δx／Δt作为该点的瞬时速度）；

④数据处理，总结分析

问题四：如何通过处理照片信息探究自由落体运动的规律？

（引导：可以用照片上的数据信息计算各个时间间隔的平均速度列表来探究，可作V-t图像，也可用相连相同时间间隔内的位移差，判断自由落体运动是否为匀加速直线运动，并求出它的加速度）

１．列表法。（注意列表要求）

数据表格猜想出自由落体运动的变化规律：速度与时间成正比。鼓励学生大胆猜想，并一一列举学生的各种想法，了解学生猜想的原因，进行总结与点评，纠正盲目的瞎想。

学生在猜想中回答猜想原因，阐述猜想思路。

２．图象法：

①根据所得数据，选择合适的标度建立坐标系（让图象尽量分布在坐标系平面的大部分面积）。

②描点：观察和思考点的分布规律。

③拟合：从点的分布可以有很大把握地说这些点应该在一条直线上，用直线拟合，让尽可能多的点处在直线上，不在直线上的点应对称地分布在直线两侧。

引导描点法一般原则，强调作图的精确性，培养严谨的科学态度。

步骤方法：先确定标度，再准确描点，并用平滑的曲线进行连接。

总结介绍：

描点法是作图的一种最基本的方法，最重点的两点：一是准确性（标度要合适）。二是要用平滑曲线连接（要让尽可能多的点分布在线上，不在线上的点分布在两侧，离线较远的点删去）。最后还要注意美观性（使图象分布在坐标纸中央）。

问题五：如何根据实验数据求自由落体运动的加速度？

①计算v-t图像的斜率

②利用相邻相同时间间隔内的位移差公式求解；

问题六：本实验实验结论？

自由落体运动是一个初速度为零的匀加速直线运动，其加速度等于重力加速度。

六、实验效果评价与反思：

实验效果

：实验取得了预期的效果，通过数据处理能够证明自由落体运动是初速度为零的

匀加速直

线运动。

反思：1.最终用手机拍出的照片清晰度不是很好，需要再进行设计。

2.小球初速度不一定为零，因为见光的一瞬间不一定恰好是释放的瞬间；

3.实验装置的稳定性有待提高，相信本实验具有和打点计时器一样的适用性。