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[项目] 测量小车的平均速度

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本帖最后由 许大享 于 2023-1-4 19:45 编辑

背 景          

       在初中八年级人教版《物理•上册》第一章《机械运动》第一节中有“误差”的基本概念介绍。也就是在测量物理量的时候,受所用仪器和测量方法限制,测量值与真实值之间总会有差别,这就是误差。

       教材上继续介绍说,我们不能消除误差,但应尽量减小误差,通常采用的最多的方法是多次测量求平均值,或者选用精密的测量工具,还可以改进测量方法,都可以减小误差,但不能消除误差。对于第一种方法,多次测量求平均值,同学们在七年级生物学及其他学科都已用的比较多了。
       很显然,受制于教材上测量工具的限制,那么第一种方法测得的误差,总是在一个比较大的范围内。其中,第一章《机械运动》第四节《测量平均速度》,所用测量工具比较简陋,所测时间的误差就比较大。所以我们可以改为微电脑传感器技术来自动化准确的记录时间。这样就能大大的减小误差,所测的小车的平均速度更接近于真实情况。这样更加符合科学严谨的精神,同学们也对这种自动化控制的传感器编程技术有所了解。

测量小车的平均速度图5
测量小车的平均速度图4

教学目标
1.学会用停表和刻度尺较准确地测量时间、距离,并求出平均速度;知道用传感器技术能大大减少误差。
2.加深对平均速度的理解。
教学重点
会用停表和刻度尺测量运动物体的平均速度;会用传感器技术测量运动物体的平均速度。
教学难点
表格数据分析,误差分析。
教具准备
秒表、小车、金属片、斜面、长卷尺;行空板、掌控板_micro:bit_-IO扩展板、Gravity: 3-80cm红外数字避障传感器(2个IR红外开关)、舵机、超声波传感器、蜂鸣器。
教学过程
一、引入新课
  找一些跑步等裁判计时的照片或者描述一些比赛时计时的情况。同学们,想知道一个物体的平均速度,我们需要知道什么?需要什么工具来帮助我们?
  根据公式 v=s/t, 我们需要知道的物理量是物体运动过程中走过的路程 s 和所用的时间 t。路程s 可以用尺子测量,时间t 可以用表来测量。今天我们就用表和尺子来亲自动手测量平均速度。除了教材介绍的测量工具,老师还会介绍误差更小的全自动的测量方法,请同学们敬请期待哦~
二、新课学习
探究点  测量平均速度
(一)实验原理
v=s/t
1、测量刘翔110m栏的平均速度的实验原理是什么?
2、实验中需要用到哪些测量工具?
学生根据所学知识汇报实验原理。结合实验原理汇报实验中所需要的两种测量工具。
(二)设计实验
1、你能否结合实验桌上的器材,设计一个实验来测量小车运动的平均速度?
2、实验的过程中,斜面的坡度大一点好,还是小一点好?为什么?
3、金属片在实验中有什么作用?如何能使测量的时间更准确?
学生结合实验桌上的实验器材,交流讨论实验步骤。思考并讨论斜面坡度对实验所带来的影响。思考并讨论金属片的作用,明确为了使测量结果更准确,应在正式试验前练习测量几次。在此基础上,教师介绍利用微电脑传感器技术测量小车平均速度的优势。
(三)进行实验
1、使斜面保持较小的坡度,把小车放在斜面顶端,金属片放在斜面底端,测出小车将要通过的路程S1、S2,填在表格内。
2、测量小车从斜面顶端滑下并撞到金属片的时间t1、t2,填在表格内。
路程
运动时间
平均速度
s1=
t1=
v1=
s2=
t2=
v2=
小组分组实验
1、组织学生动手实验,指出实验中需要注意的问题,并巡回指导。
2、注意事项:测量小车沿斜面下滑的平均速度时,要使斜面保持较小的坡度,主要是为了便于测量小车运动的时间。
3、选两个优秀小组展示汇报。
学生在正式测量前,练习使用停表测量小车运动的时间。然后学生分组实验,并将测量的数据记录在表格内。最后展示汇报实验过程。
(四)分析数据
做变速直线运动的小车在不同路程内的平均速度一般不同。
1、组织学生计算小车在不同阶段的平均速度。
2、引导学生分析归纳实验结论。
学生计算小车在不同阶段的平均速度。然后分组交流讨论,并归纳出做变速直线运动的物体在不同阶段内的平均速度关系。
(五)交流与评估
1、实验设计有没有不合理、不充分以及不完善之处吗?
2、操作过程中出现了哪些失误?你们是如何解决的?有哪些值得别人借鉴的经验?
3、测量结果是否可靠?有哪些因素可能会影响实验结果?
学生分组进行交流评估,提出各小组在实验中存在的问题、总结宝贵经验,分析实验误差。

测量小车的平均速度图3
教材操作
手动释放小车必须立即计时,用人眼观察斜面上正在移动的小车到达相应位置后,立即人工手动按停表。
误差大的原因

一个是到达位置是否准确判断,第二个是按停表是否及时迅速,如果斜面坡度大了,小车越滑越快,则所测时间的误差会更大。
改进措施

行空板控制:1个舵机,2个红外开关更准确地记录3个时间点,斜面坡度也可大可小,并可方便计算并显示三段(V1、V2、V3)平均速度。

1、利用舵机代替人工释放小车以记录起始时间点t0。
2、利用2个红外开关(3-80cm红外数字避障传感器,分别记录小车经过中点时刻t2和到达全程时刻t1。
3、利用行空板把取得的时间参数进行处理,按照平均速度公式进行计算显示各段平均速度。
4、利用超声波传感器+行空板Python图像功能,近似实时显示路程与时间关系图像。
5、利用蜂鸣器发出各个阶段提示音给观察者知悉。
教材要求测全程的平均速度v1和上半段平均速度v2;由于使用了传感器技术,我们很容易增添了下半段平均速度v3,以便对比观察。


测量小车的平均速度图1

按以上”探究点  测量平均速度“步骤进行实验。
(一)实验原理

v=s/t,已知小车运动路程s1=70cm,s2=35cm,s3=35cm,主要是利用传感器能准确测取各段的时间点t0,t1,t2,从而准确计算三段时间。
(二)设计实验

利用行空板硬件与Mind+Python编程环境,一个微型舵机释放小车以获得初始时间点t0,两个红外开关(3-80cm红外数字避障传感器)依次获取小车经过中点和末端位置的时间点t2,t1;依次获取三个时间点的同时有蜂鸣器辅助提示音。
测量小车的平均速度图15

Mind+代码
测量小车的平均速度图16
测量小车的平均速度图17

(三)进行实验


路程
运动时间
平均速度
s1= t1= v1=
s2= t2= v2=
s3=s1-s2= t3=t1-t2= v3=
(四)分析数据
做变速直线运动的小车在三段不同路程内的平均速度一般不同。
1、组织学生根据行空板显示记录在数据,亲自计算小车在三个不同阶段的平均速度。
2、引导学生分析归纳实验结论。
学生计算小车在不同阶段的平均速度。然后分组交流讨论,并归纳出做变速直线运动的物体在不同阶段内的平均速度大小关系。
(五)交流与评估

1、实验设计虽然使用了传感器技术,但是还有没有不合理、不充分以及不完善之处呢?
2、操作过程中出现了哪些失误?你们是如何解决的?有哪些值得别人借鉴的经验?
3、仔细分析传感器测量的结果,是否更加可靠?有哪些隐性因素可能会影响实验结果呢?
学生分组进行交流评估,提出各小组在实验中存在的问题、总结宝贵经验,分析实验隐藏的误差。
拓展性实验
测量小车的平均速度图2
超声波传感器、掌控板_micro:bit_-IO扩展板、行空板连接:
测量小车的平均速度图14
Mind+代码
测量小车的平均速度图7

超声波传感器+行空板显示运动物体的路程与时间关系图像:


有助于理解运动物体的s-t图像的意义:
1、曲线上升意为运动物体路程随时间在增加;
2、曲线水平意为运动物体处于静止状态;
3、曲线下降意为运动物体的运动方向与原来相反,因而路程在减小;
......
例:某地中考题

测量小车的平均速度图6
进而迁移理解运动物体的v-t图像等。
课堂截图

测量小车的平均速度图11测量小车的平均速度图12测量小车的平均速度图13测量小车的平均速度图9测量小车的平均速度图10测量小车的平均速度图8

其他拓展思路
科学实验中一定会使用非常重要普遍的方法“控制变量法”(控制唯一变量/对照实验)。
因此这里,还可以做:
1、其他条件一样,不同斜面坡度小车平均速度的影响
2、其他条件都一样,不同粗糙程度的桌面小车平均速度的影响
3、“其他条件都一样,相同重量的不同小车小车平均速度的影响”
4、“其他条件都一样,负重不同的同一小车小车平均速度的影响”
......

教学反思
       本节课以实验探究、以学生为主体、注重培养学生能力。让学生经历实验探究的过程,从实验目的,原理,器材,猜想,设计,操作,评估等过程,都是学生逐步逐步层层推进而实现的。
       发挥学生自主学习的能力,基于已有的平均速度的概念的基础上,猜想小车下滑过程的运动,设计出利用比较平均速度,证明小车下滑时运动的特点,并通过实验,得到明确的证明,以及通过小组同学合作讨论,得出实验中需要完善的环节:比如,如何利用传感器技术好更准确地测量3个时间点,减少误差等。

























rzyzzxw  版主

发表于 2022-12-30 18:15:04

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安卓机器人  中级技神
 楼主|

发表于 2022-12-31 13:18:42


哈哈,惭愧,代码快忘光了,吃力呀
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SBI y  高级技师

发表于 2022-12-31 13:46:56


太棒了!感谢感谢,等我初二了我也可以做这个实验了
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安卓机器人  中级技神
 楼主|

发表于 2022-12-31 22:34:19

SBI y 发表于 2022-12-31 13:46
太棒了!感谢感谢,等我初二了我也可以做这个实验了

行空板玩Python就是6
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三春牛-创客  初级技神

发表于 2023-1-1 09:39:38

厉害厉害
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三春牛-创客  初级技神

发表于 2023-1-1 09:40:40

赞赞赞赞赞
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安卓机器人  中级技神
 楼主|

发表于 2023-1-1 20:27:24


元旦快乐
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木子呢  管理员

发表于 2023-1-4 17:07:45

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许大享  中级技神

发表于 2023-1-4 18:28:55


增添完毕了,
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