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[项目] 测量小车的平均速度

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

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

（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

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、“其他条件都一样，不同斜面坡度对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对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对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对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。

行空板