资源简介

1.4《实验：用打点计时器测量小车的速度》课时教案
学科 物理 年级册别 高一上册 共1课时
教材 教科版高中物理必修第一册 授课类型 实验探究课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于教科版高中物理必修第一册第一章第四节，是学生首次系统接触力学实验的重要环节。教材通过引导学生使用电磁打点计时器或电火花打点计时器记录小车在斜面上运动的轨迹，获取一系列时间与位移的数据点，进而计算瞬时速度和平均速度，初步建立“用数据说话”的科学实验意识。该实验不仅是对前几节关于时间和位移概念的实践深化，也为后续学习加速度、匀变速直线运动规律打下坚实基础，在整个力学体系中具有承上启下的关键作用。
学情分析
高一学生刚从初中过渡到高中，具备一定的观察和动手能力，但对物理实验的规范性、数据处理的严谨性认识不足。他们已掌握时间、路程、速度等基本概念，具备初步的代数运算能力，但在将实际运动转化为纸带上的点迹并进行定量分析方面存在思维断层。此外，部分学生可能对仪器操作产生畏难情绪，注意力易分散。因此，需通过情境创设激发兴趣，采用小组合作降低个体压力，并借助可视化手段帮助理解抽象过程，突破“如何从纸带上读取信息”这一认知障碍。
课时教学目标
物理观念
1. 理解打点计时器的工作原理及其在记录物体运动中的作用，形成利用工具获取运动信息的物理观念。
2. 掌握根据纸带上的点迹计算某段时间内的平均速度和某一时刻均速度逼近瞬时速度的方法。
科学思维
1. 能够通过分析纸带上点迹的疏密变化判断小车运动的快慢变化趋势，发展逻辑推理能力。
2. 学会运用“极限思想”理解用较短时间内的平均速度近似代替瞬时速度的科学方法。
科学探究
1. 能独立完成实验装置的搭建、纸带的安装与数据采集，提升实验操作技能。
2. 能够正确测量相邻两点间的距离，并设计表格记录和处理数据，培养科学实证意识。
科学态度与责任
1. 在实验过程中遵守操作规程，尊重实验数据，养成实事求是的科学态度。
2. 在小组协作中主动沟通、分工配合，增强团队合作精神和社会责任感。
教学重点、难点
重点
1. 打点计时器的正确使用方法及实验步骤的规范执行。
2. 根据纸带上的点迹计算平均速度和估算瞬时速度。
难点
1. 理解“用很短时间内的平均速度近似代表瞬时速度”的极限思想。
2. 准确测量纸带上多个点之间的距离并进行有效数据处理。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、合作探究法、讲授法相结合
教具准备
电磁打点计时器（或电火花计时器）、学生电源、小车、长木板、刻度尺、纸带、复写纸、导线、支架、滑轮、细绳、钩码
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入，提出问题
【5分钟】 一、创设真实情境，引发认知冲突 （一）、播放视频并提问：
教师播放一段汽车在高速公路上行驶的短视频，画面中车速表指针不断跳动。“同学们，请看这辆正在行驶的汽车，它的速度每时每刻都在变化。我们如何才能知道它在某一瞬间究竟跑得多快？仅仅靠肉眼观察行吗？”等待学生回答后继续追问：“如果现在没有现代的电子测速仪，只有一支笔和一张纸，我们有没有办法记录下它的运动情况呢？”
（二）、引入历史智慧，揭示研究方法：
教师讲述：“早在一百多年前，科学家们就面临同样的难题。他们发明了一种巧妙的装置——打点计时器，就像一台‘时间机器’，能把物体的运动‘画’下来。今天我们就化身小小物理学家，亲手操作这个神奇的仪器，来揭开小车速度的秘密。”随即展示打点计时器实物，并板书课题《实验：用打点计时器测量小车的速度》。
（三）、明确任务驱动，激发探究欲望：
教师宣布本节课的核心挑战任务：“我们的终极目标是：准确测量出小车在斜面下滑过程中，经过某个特定位置时的瞬时速度。为了达成这个目标，我们需要一步步攻克三个子任务：第一，学会使用打点计时器；第二，成功打出一条清晰的纸带；第三，从纸带上‘读’出速度的信息。” 1. 观看视频，思考问题。
2. 参与讨论，表达观点。
3. 倾听讲解，了解实验背景。
4. 明确实验任务，产生探究兴趣。
评价任务 能否说出瞬时速度难以直接测量：☆☆☆
能否理解实验目的与意义：☆☆☆
能否明确个人学习任务：☆☆☆
设计意图 以生活中常见的汽车测速为切入点，制造“想测却难测”的认知冲突，自然引出实验必要性。通过讲述科学史话，赋予实验人文温度，增强学生的使命感。设置清晰的任务链，使整个探究过程有方向、有层次，符合建构主义学习理论，促进深度参与。
认识仪器，规范操作
【10分钟】 一、结构拆解，理解工作原理 （一）、实物展示与功能解析：
教师手持电磁打点计时器，将其放置于投影仪下放大显示。“请大家仔细观察，这是我们的核心工具——电磁打点计时器。它主要由哪些部分组成？”引导学生识别外壳、线圈、振片、打点针、限位孔、接线柱等部件。接着解释其工作原理：“当通入交流电时，线圈会产生周期性变化的磁场，吸引振片带动打点针上下振动。若此时有一条纸带穿过限位孔并在下方移动，打点针就会每隔固定时间在纸带上打出一个点。我国使用的交流电频率为50Hz，因此打点周期为0.02秒，即每两个相邻点之间的时间间隔为0.02s。”强调这一时间基准的重要性。
（二）、安全提示与连接示范：
教师边演示边说明：“使用时必须注意：电磁式需接入6V以下交流电源，切勿接直流电！先接通电源再释放小车，避免损坏振针。现在我来演示正确的电路连接方式——将学生电源调至‘6V AC’档位，用导线连接打点计时器的两个接线柱。”同时提醒学生检查复写纸是否正确安装在纸带上方，确保能留下清晰印记。
二、组装实验装置，构建运动系统 （一）、搭建斜面轨道：
教师指导学生将长木板一端垫高形成斜面，固定打点计时器于高端，使限位孔正对轨道方向。安装滑轮于低端，确保细绳能顺畅绕过滑轮连接小车与钩码。强调装置要稳固，防止晃动影响数据准确性。
（二）、安装纸带与启动预演：
教师示范如何将纸带一端固定在小车上，另一端穿过打点计时器限位孔，并压好复写纸。“注意：纸带应平直无褶皱，不能歪斜摩擦侧壁。”然后进行一次不放钩码的空载测试：“打开电源，听到‘嗡嗡’声表示正常工作；关闭电源，查看是否有连续均匀的点迹。”确认无误后关闭电源，准备正式实验。 1. 观察仪器结构，识别各部件名称。
2. 理解打点周期为0.02s的原因。
3. 学习正确连接电源与安装纸带。
4. 协助完成实验装置的初步搭建。
评价任务 能否说出打点周期为0.02s：☆☆☆
能否正确连接实验电路：☆☆☆
能否规范安装纸带与复写纸：☆☆☆
设计意图 通过实物投影放大细节，帮助学生建立直观印象。结合物理原理讲解工作机制，不仅教会“怎么做”，更阐明“为什么这么做”，提升科学理解力。强调操作规范与安全事项，培养学生严谨的实验习惯。预演环节可及时发现装置问题，提高正式实验成功率。
动手实验，采集数据
【12分钟】 一、分组合作，实施实验操作 （一）、明确分工与操作流程：
教师将全班分为若干实验小组（每组4人），分配角色：一人负责电源开关与打点计时器监控，一人负责释放小车，一人负责保护装置防止小车掉落，一人负责记录初始状态。宣布操作口令：“准备——通电——放车——断电”。强调动作协调：“必须先开启打点计时器，待其稳定工作后再释放小车；小车停止运动后立即关闭电源。”
（二）、进行多次实验尝试：
教师指导各小组开始实验：“请你们先进行一次试运行，观察纸带上的点迹是否清晰、间距是否合理。若出现双点、漏点或纸带卡顿，立即排查原因——可能是电压不足、复写纸移位或轨道不畅。调整后重新实验，直到打出一条理想的纸带为止。”鼓励学生多尝试几次，选取最佳纸带用于数据分析。
二、精选纸带，标记关键点 （一）、选择理想样本：
教师巡视各组，协助挑选出点迹清晰、间距适中、无明显拖痕的纸带。“这张纸带非常好，前段点密集说明起始速度慢，后段点稀疏说明加速明显，非常适合我们分析。”
（二）、确定研究区域并编号：
教师示范：“我们现在要研究小车在中间某段的运动。请大家在纸带上任选一段连续的六个点，分别标记为0、1、2、3、4、5号点。注意：通常舍去开头过于密集的点，选择运动较稳定的一段。”用红笔在示例纸带上标出这六个点，并说明：“相邻两点间的时间间隔都是0.02s，那么从0到5共5个间隔，总时间为0.10s。” 1. 明确小组分工，协同完成实验。
2. 按照规范流程操作实验装置。
3. 多次尝试获取清晰完整的纸带。
4. 选取最佳纸带并标记研究点位。
评价任务 能否按规范流程完成实验操作：☆☆☆
能否打出清晰有效的点迹纸带：☆☆☆
能否正确选取并标记研究点段：☆☆☆
设计意图 通过小组合作实现全员参与，锻炼团队协作能力。设置“试运行+优化”机制，让学生经历失败与改进的过程，体会科学研究的真实性和反复性。教师巡视指导及时纠偏，保证实验质量。精选纸带环节培养学生甄别有效数据的能力，为后续精准分析奠定基础。
数据分析，计算速度
【13分钟】 一、测量距离，记录数据 （一）、精确测量各段位移：
教师发放统一数据记录表模板，表头包括“点号”、“位置坐标x(n)/cm”、“相邻位移Δx(n→n+1)/cm”、“对应时间t/s”、“平均速度v /m·s ”等栏目。指导学生使用毫米刻度尺测量从起点0到各点的距离x 、x 、x 、x 、x 、x ，并填入表格。“注意：读数要估读到最小分度的下一位，比如1.23cm。测量时视线垂直尺面，避免视差。”教师巡回检查测量方法是否正确。
（二）、计算相邻段位移：
引导学生根据公式Δx = x - x ，Δx = x - x ……依次计算出每0.02s内的位移量，并填入表格。强调单位换算：“我们将厘米转换为米，方便后续速度单位统一。” 二、计算平均速度与瞬时速度 （一）、求解各段平均速度：
教师提问：“如果我们想知道小车在第1个0.02s内的平均快慢程度，该怎么算？”引导学生回忆速度定义式v = Δx / Δt。举例：“假设Δx = 0.80cm = 0.0080m，则v = 0.0080 / 0.02 = 0.40 m/s。”要求各组计算出每一段的平均速度并填表。
（二）、估算某点瞬时速度：
教师进一步设问：“但我们真正关心的是小车在经过第2个点那一刻的速度，也就是瞬时速度。能不能用刚才的数据来估计？”引导学生思考：“我们可以取包含这一点前后的一小段时间，比如从第1点到第3点，这段时间是0.04s，位移是x - x ，那么这段的平均速度就可以近似看作第2点的瞬时速度。”给出公式：v ≈ (x - x ) / (2T)，其中T=0.02s。同样计算v ≈ (x - x )/(2T)等。
（三）、组织数据对比分析：
教师引导学生将计算出的各点瞬时速度列成序列，观察其变化趋势。“你们发现了什么规律？是不是速度在逐渐增大？”从而得出小车做加速运动的结论。 三、误差分析与讨论 （一）、探讨误差来源：
教师提问：“为什么我们不能直接测出瞬时速度，而只能用平均速度来逼近？”引导学生认识到任何测量都有时间窗口。“还有哪些因素会影响结果准确性？”启发学生想到摩擦阻力、打点不均匀、测量误差、空气阻力等。
（二）、提出改进建议：
鼓励学生思考：“如果想让估算更接近真实值，我们可以怎么做？”引导得出“减小Δt，即选取更靠近中心点的区间”这一思路，再次强化极限思想的应用。 1. 使用刻度尺准确测量各点坐标。
2. 计算相邻段位移并填写数据表。
3. 应用公式计算各段平均速度。
4. 利用中间时刻速度公式估算瞬时速度。
评价任务 能否准确测量并记录数据：☆☆☆
能否正确计算平均速度：☆☆☆
能否应用公式估算瞬时速度：☆☆☆
设计意图 通过标准化表格引导学生系统化处理数据，养成良好实验习惯。强调测量细节如估读、视差控制，体现科学严谨性。层层递进的问题链推动学生从平均速度自然过渡到瞬时速度的理解，渗透“无限逼近”的微积分思想雏形。误差分析环节提升批判性思维，让学生意识到科学测量的本质是不断逼近真理的过程。
总结升华，拓展延伸
【5分钟】 一、回顾全过程，提炼核心方法 （一）、梳理实验主线：
教师带领学生共同回顾：“今天我们经历了一场完整的科学探究之旅：从发现问题——设计实验——操作仪器——采集数据——处理分析——得出结论。我们学会了用打点计时器这把‘时间之笔’，把看不见的速度‘写’在纸上。”
（二）、强调科学思想：
教师深情总结：“正如伽利略所说：‘自然之书是用数学语言写成的。’今天我们正是用0.02秒一个点、一段段位移、一个个数字，破译了小车运动的密码。虽然我们无法直接捕捉瞬时，但通过极短时间内的平均，我们无限接近了那一刻的真实。这不仅是技术的进步，更是人类思维方式的伟大飞跃。” 二、联系现实生活，展望未来学习 （一）、举例现代应用：
教师展示高铁、航天器轨道测算等图片：“如今，这种基于时间序列的数据采集思想已广泛应用于GPS定位、心电图监测、地震波分析等领域。每一次精准的背后，都藏着无数个‘点’的积累。”
（二）、埋下知识伏笔：
教师预告：“下节课我们将继续深入研究这些纸带，探索速度是如何随时间变化的，揭开‘加速度’的神秘面纱。希望同学们保持这份好奇与严谨，一起走进更加精彩的物理世界！” 1. 回顾实验步骤与关键操作。
2. 理解极限思想在实验中的应用。
3. 感悟科学探究的基本流程。
4. 激发对未来物理学习的兴趣。
评价任务 能否复述实验基本流程：☆☆☆
能否理解极限逼近思想：☆☆☆
能否表达对物理探究的兴趣：☆☆☆
设计意图 采用升华式总结，将实验技能上升到科学方法论层面，引用伽利略名言增强文化厚度。通过现实应用场景展示物理学的巨大价值，增强学科认同感。结尾设置悬念，为下一课时做好铺垫，形成连贯的教学节奏，激励学生持续探索。
作业设计
一、基础巩固题
1. 电磁打点计时器是一种使用______（填“交流”或“直流”）电源的计时仪器，工作电压为______V以下，当电源频率为50Hz时，每隔______s打一次点。
2. 在“用打点计时器测速度”的实验中，下列操作正确的是（ ）
A. 先释放小车，再接通电源
B. 打点结束后立即关闭电源
C. 纸带必须穿过限位孔且与振针垂直
D. 实验时应尽量减小木板的摩擦
3. 某同学用打点计时器测量小车运动速度，得到一条点迹清晰的纸带。已知打点周期为0.02s，测得某两点间距离为2.40cm，则这两点间的时间间隔为______s，小车在这段时间内的平均速度为______m/s。
二、能力提升题
4. 如图所示为某次实验打出的一段纸带，A、B、C、D、E为连续五个点，测得AB=1.20cm，BC=1.60cm，CD=2.00cm，DE=2.40cm。
（1）计算B点的瞬时速度vB ≈ ______ m/s；
（2）判断小车做的是______（填“匀速”或“加速”）运动，理由是________________________。
三、拓展探究题
5. 查阅资料，比较电磁打点计时器与电火花打点计时器的异同点，列表说明各自的优缺点。
6. 思考：如果打点计时器使用的交流电频率实际为49Hz，而我们仍按50Hz计算时间间隔，会对速度测量结果产生怎样的影响？说明理由。
【答案解析】
一、基础巩固题
1. 交流；6；0.02
2. B、C、D（解析：A错误，应先通电再放车）
3. 0.02；1.20（解析：v = Δx / Δt = 0.024 / 0.02 = 1.20 m/s）
二、能力提升题
4. （1）vB ≈ (AC) / (2T) = (AB + BC) / (2×0.02) = (0.012 + 0.016) / 0.04 = 0.70 m/s
（2）加速；理由：连续相等时间内位移逐渐增大
三、拓展探究题
5. 相同点：均可记录物体运动轨迹，时间间隔均为0.02s（50Hz时）。不同点：
- 电磁式：需复写纸，摩擦较大，适用于低速；
- 电火花式：无需接触，阻力小，适用于高速。
6. 若频率偏低为49Hz，则实际打点周期T' = 1/49 ≈ 0.0204s > 0.02s。若仍按0.02s计算，则时间Δt被低估，导致计算出的速度v = Δx / Δt偏大。
板书设计
实验：用打点计时器测量小车的速度
───────────────────────
一、实验目的：
测量小车速度 → 获取运动信息
二、实验原理：
f = 50Hz → T = 0.02s
v = Δx / Δt（平均速度）
vn ≈ (x_{n+1} - x{n-1}) / (2T)（瞬时速度估算）
三、实验步骤：
① 安装装置 → ② 连接电源 → ③ 固定纸带
④ 通电打点 → ⑤ 释放小车 → ⑥ 断电取带
四、数据处理：
点迹： O──O──O──O──O──O
0 1 2 3 4 5
时间(s)00.020.040.060.080.10位移 (m)x x x x x x
v ≈ (x - x )/0.04
五、核心思想：
“以均代瞬” → 极限逼近 → 科学实证
教学反思
成功之处
1. 以“汽车测速”真实问题导入，有效激发学生探究动机，课堂氛围活跃。
2. 采用任务驱动模式，将复杂实验分解为可操作的子任务，学生参与度高。
3. 注重科学思维渗透，在数据分析环节自然引入极限思想，提升了思维深度。
不足之处
1. 部分小组初次操作时因配合不默契导致纸带打坏，浪费了宝贵时间。
2. 个别学生在测量微小位移时存在读数误差，反映出基本功有待加强。
3. 对于“为何能用平均速度代替瞬时速度”的哲学层面解释还可更深入。
改进方向：今后可增加一次模拟演练环节，提前培训操作要点；加强对测量技巧的专项指导；引入更多科学家故事深化科学本质教育。

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