王声子

（浙江省温州中学 浙江 温州 325000）

依据20世纪著名的发展心理学家皮亚杰的理论（个体心理的发展和变化过程表现出明显的年龄特征）可知，高一学生的认知发展过程是由具体运算阶段向形式运算阶段过渡，即由直观认识向逻辑推理、实验推理过渡阶段.因此，在教学中要遵循从感性到理性的认识规律，满足与引导学生的好奇心，让其品味科学家的好奇心；让每个学生学会科学的思维方法，像科学家那样研究、分析、处理问题，用所学的科学知识辨别是非，不迷信权威，勇于提出质疑，有一定的批判精神，能与伪科学作斗争.

笔者所任教的是市重点中学高一的一个平行班.90后的学生，知识面广，思维活跃，多数都有独特的想法，大部分学生初步具备一定的物理实验探究的能力.所以，在学习“匀变速直线运动的速度与时间的关系”内容时，笔者大胆创设了一个物理情境，尝试着让学生从生活实例中寻找、探究物理规律.

这是人教版必修1第二章第2节的内容，是在前一节课用实验探究了小车速度随时间变化的规律之后，对运动知识的进一步学习.速度与时间的关系是本章节教学的重点之一，所以，对此内容的教学必须引起高度重视，如何设计课堂，让学生更容易认识并深入了解速度与时间的关系是授课教师的一项重要任务.速度与时间的关系是运动学中最基本、最重要的关系之一，对于后续的位移与时间的关系、位移与速度的关系的学习都有铺垫作用.它的应用贯穿于整个力学，所以，要将它放在一个较高的层面上来对待.

学生前面已认识描述运动的基本物理量 ——位移、路程、速度、加速度，并且通过对以上物理量的研究，已体会到研究物理学问题的一些方法，如运用理想模型和数学方法（图像、公式），以及测加速度、处理实验数据等方法，已具有一定知识迁移能力.根据学生的心理特点，笔者先从生活中寻找有关知识，让学生感受运动物体速度的变化；然后，通过实验指导学生探究速度的变化规律，从而激发学生去思考“匀变速直线运动的速度与时间有何关系”；最后，再引导学生自主推导匀变速直线运动的速度与时间的关系式.

1 创设情境 设疑激趣

师：我们先来看一段录像.大家看这是什么？

（视频展示电动卷帘窗的上升）

生：好像是电脑室里的卷帘窗.

2 设计实验 激发原认知

师：能否判断它的上升是哪一种运动？

生：匀速直线运动.

师：真的是匀速直线运动吗？仅凭观察还不够，要通过实验来验证一下我们的观点.用什么样的装置和方法可以研究卷帘窗的上升运动？回想一下研究小车运动用了什么装置？

生：打点计时器.

师：很好，在小车后面拖一条纸带，小车带动纸带运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点，这些点迹就记录了小车的运动情况.那么现在研究卷帘窗的上升，类似于研究小车的运动，我们应该把小车实验怎么改一下？

生：把纸带粘在卷帘窗下端，让卷帘窗带动纸带运动.

（视频展示实验装置）

师：以前研究小车运动，打点计时器是水平固定的，今天我们要把打点计时器竖直安装.为什么？

生：因为卷帘窗的运动是竖直方向的.

接好电源，把纸带穿过限位孔，压在复写纸的下面，接通电源，按下卷帘窗的控制开关，卷帘窗就带动纸带向上运动，打点计时器就在纸带上打下一系列的点，实验结束后，就可以研究纸带.

3 用实验探究卷帘窗的运动

（展示纸带，如图1）

图1

师：这是打好的纸带，标好的这些点并不是打点计时器打出的自然点，因为我们刚才看到卷帘窗的上升比较慢，打出的点就会比较密集，所以，每20个点选取一个计数点.那么，相邻的两个计数点之间的时间间隔是多少？

生：0.4s.

师：现在纸带打好了，计数点也标出来了，时间间隔也知道了，接下来应该怎么做？

生：测量距离.

师：测哪些点之间的距离呢？

生：任意两点间，也可以是相邻两点间.

师：现在把相邻两点间距离都测出来，列成一张数据表，如表1.

表1 相邻两点间距

师：从中我们获得的是位置与时间的关系.但是如果想进一步研究卷帘窗的运动，应该获得的是哪一种关系？

生：速度与时间的关系.

师：怎么从这张表转化到速度与时间的关系？即用位移和时间求出速度.

生：利用两点间距和时间间隔可以算出平均速度.

师：平均速度与瞬时速度之间又有怎样的关系？

生：当时间间隔足够短时，平均速度就接近于某一点的瞬时速度.

师：按照同学们提供的方法，可以把这些点的瞬时速度值都算出来，列成一张表，如表2.接下来要做什么？

表2 各点瞬时速度

生：画图.

师：以时间为横轴，速度为纵轴，描点.然后呢？生：用光滑的曲线把点连起来.

（展示画出的速度图像，如图2）

图2 卷帘窗速度图像

师：先看bc段，代表卷帘窗做什么运动？

生：匀速直线运动.

师：怎么看出来？

生：随着时间的变化，速度的大小、方向都不变.

师：那么ab段和cd段呢？这两段图线并不与时间轴平行，而是两条倾斜的直线，这又代表什么运动？

生：匀变速直线运动.

师：先看ab段，有什么判别依据？

生：倾斜直线，斜率代表加速度，所以，加速度是一个不变的值，因此是匀变速直线运动.

从图像中可以看到，任意选取一段时间间隔Δt，对应于一个Δv，Δv和Δt的比值就是加速度，也就是斜率，斜率保持不变，说明这是匀变速直线运动.

师：请大家归纳一下匀变速直线运动的定义.

师：再看cd段的运动，也符合匀变速直线运动的定义，那么，ab段和cd段最大的差别是什么？

生：ab段速度增加，cd段速度减小.

师：因此，同样属于匀变速直线运动，ab段叫做匀加速直线运动，因为随时间变化速度均匀增加；cd段叫做匀减速直线运动，因为随时间变化速度均匀减小.

师：刚才分段研究了卷帘窗的运动.现在请大家归纳一下卷帘窗在整个上升过程中做何运动？

生：先做匀加速直线运动，再做匀速直线运动，然后做匀减速直线运动.

师：通过具体的分析，可见，前面我们的猜测是错误的，卷帘窗并不是一直做匀速直线运动.原来静止，后来上升，一定存在加速过程.最后，从运动到静止，一定存在减速过程.所以，我们的研究结果跟实际情况吻合.

说明：考虑到教师现场示范的可视度差，利用事先拍摄的视频带领学生活动，给予学生深刻记忆，结合图像研究法有效地突破难点，为接下去进一步探讨速度与时间的关系作铺垫.

4 利用卷帘窗的速度图像进一步探讨图像包含的信息

（1）卷帘窗在0.8s末、2.4s末、3.6s末3个时刻的速度，哪个最大？哪个最小？

生：2.4s末最大，是10.0cm／s，3.6s末最小，是7.0cm／s.

（2）卷帘窗在0.8s末、2.4s末、3.6s末3个时刻的速度方向是否相同？

生：都相同，图像在t轴上方，表示速度方向与规定的正方向相同.

（3）卷帘窗在0.8s末、2.4s末、3.6s末3个时刻的加速度，哪个最大？哪个最小？

生：3.6s末的加速度最大，2.4s末的加速度最小，因为斜率越大，加速度越大.

（4）卷帘窗在0.8s末和3.6s末的加速度方向是否相同？

生：相反，0.8s末物体在做匀加速运动，加速度与速度同向，都是正向；3.6s末物体在做匀减速运动，加速度与速度反向，为负方向；所以，两个时刻加速度方向相反.

师：可见，从图像中可以获取很多的信息，能否归纳一下，从速度图像中能得出哪些有用的信息？

生：每个时刻的速度大小、方向，速度变化量，加速度的大小、方向，位移等.

师：所以图像包含的信息量很大，利用图像研究物体的运动也是高中物理中非常重要的一种方法.

师：刚才看到的速度图像是直线，那么若速度图像是如图3所示的一条曲线，又代表了什么运动？

图3 速度与时间图像

（展示速度图像为曲线）

师：这样的图像是不是代表物体做曲线运动？

生：不是.只能代表直线运动.因为速度只能是正值或负值，物体只能在一条直线上运动，所以，能够用这样的速度图像画出来的运动只能是直线运动，而不可能是曲线运动.

师：那么进一步分析，它代表什么样的直线运动？

生：加速度减小的加速运动，因为速度在增加，而切线斜率不断减小.

师：注意，加速度减小并不代表物体做减速运动，速度仍在增加，只不过增加得慢了，所以，叫做加速度减小的加速运动.

总结：速度图像如果是一条曲线，表示非匀变速直线运动，且某点的切线斜率表示该时刻的加速度.

5 自主推导速度与时间的关系式

（展示一个速度图像，如图4）

图4 速度与时间关系图像

师：已知初速度v0和加速度a，利用图像，结合加速度定义式，推导任意时刻t的速度vt的表达式.

生：从图4中可以看出，末速度与初速度的差值就是全过程速度的增量，即at，所以vt＝v0＋at.

生：还可以从加速度的定义式上看，变形可得出这个表达式.

师：还可以从函数的角度看，这个图像代表一次函数y＝kx＋b，k是斜率，b是纵轴截距，而图像代表的物理意义告诉我们，斜率代表加速度a，纵轴截距就是初速度v0，所以就有vt＝at＋v0.

师：at代表什么？

生：整个运动过程中速度的变化量.

师：vt，v0，a都是矢量，用这个公式的时候要注意正负号.一般规定初速度方向为正方向，所以，如果是加速运动，加速度与初速度同向，就是正值；如果是减速运动，加速度与初速度反向，就是负值.

6 实例

以汽车运动为例，加深对速度与时间关系式的理解与应用.

【例题】汽车以36km／h的速度匀速行驶，现以1m／s2的加速度加速，10s后速度能达到多少？

生：v0＝10m／s，vt＝v0＋at＝20m／s.

师：如果此时发生紧急情况需要马上采取制动，必须在4s内停下，那么，刹车的加速度至少应为多大？

刹车过程是减速运动，保持恒定加速度的话就是匀减速直线运动.

生：已知初速度为20m／s，末速度为零，时间是4s，则可算出a＝－5m／s2.

师：负号有什么含义？

生：表示加速度与初速度反向，即为匀减速直线运动.

师：为什么要说“至少”？

生：如果加速度比这个值要小，汽车肯定不能在4s内停下；加速度比这个值大，汽车可以花更少的时间停下.所以这个值是一个最小值.

师：如果刹车的加速度达到8m／s2，而其他条件不变，则采取制动后3s末汽车速度为多大？

生：零.

师：由vt＝v0＋at，可得vt＝－4m／s，怎么会是零呢？

生：跟实际情况不符合.刹车到速度为零就结束了.

师：那么－4m／s是什么意思？

生：如果速度为零以后继续以这么大的加速度反向做匀加速运动，速度就会达到反向的4m／s.

师：这样的运动就是倒车了.因此，对于刹车问题我们关注的是它何时停下来.能否算出何时停下？

生：vt＝0，v0＝20m／s，a＝8m／s2，代入式vt＝v0＋at，可得t＝2.5s.

师：因此在2.5s之后汽车一直处于静止，速度为零.

7 课堂小结

能够从图像判断运动情况，在匀变速直线运动的速度与时间的关系式中，注意加速度的正、负号，掌握刹车类题目的解决方法.

8 课后反思

依据课程标准和新课程的理念，教学中应关注学生的学习过程，创设一个有利于学生学习的物理情境.在本节课中，采用实验探索教学法，以探究为主线，以思维为中心，以实验为基础，以寻找匀变速直线运动的速度与时间的关系及相关知识为载体，引导学生在探索过程中，学习科学探究的方法.

由电动卷帘窗的上升录像引发疑问，激发学习兴趣；最后，又以汽车的运动为实例，结合学生亲身感受，进一步加深了对速度与时间关系的理解.

本节课的教学重点是通过实验探究的方法，让学生参与教学活动，探究电动卷帘窗上升过程中速度的变化规律.通过问题的形式，引导学生观察、思考、提出问题、解决问题，层层深入，体验“猜想—设计实验—进行实验—数据分析—得出结论”的探究主要过程.通过速度图像的绘制，以及针对图像设置层层递进的问题，让学生发现问题，在交流、评价中解决问题，在争议中达成共识，更深入地理解速度与时间的关系，从而最终推导得出速度公式，完成认识上的飞跃，体现了课堂教学“以生为本”的设计理念，也体现了“从生活走向物理”的新课程理念.

在整个教学过程中，教师始终是教学活动的组织者、引导者和合作者，学生才是教学活动的主体.

教学的真谛是“沟通”，要使学生真正理解和掌握物理知识，并内化为自身能力，最好的方法是让学生主动参与到教学活动过程中来，通过师生活动、生生活动等方式，让学生在解决问题中学习，比教师单纯教授知识更有效，思维训练也更加深刻.学生得到的不仅是知识，还包括解决问题的科学方法、态度，独立思考的习惯和实践操作技能等.

本堂实验探究课在突出科学探究的同时，无论是精心创设教学情境，还是实验的设计、探究过程，到悬念的释疑、表达式的推导等，都试图达到“沟通”的功效.每个教学环节都是“面对面沟通”的过程，在沟通中生成，在沟通中取舍，开发、捕捉课堂各种生成资源，不断调整预设的教学流程，使“动态生成”成为一种可以预约的精彩.

从课堂实践来看，学生的积极性很高，整节课在学生的探究性活动中进行.学生通过亲身感受获得成功的愉悦，激发学生的求知欲，充分发挥了学生的主体地位，有效地提高了学生的实验探究能力，分析、综合、解决问题的能力，质疑能力，信息收集和处理能力以及交流合作能力.

特别是电动卷帘窗上升实验的探究设计既源于教材，“用活”教材，更贴近学生实际，充分利用了学生已有的知识体系，挖掘学生本身所蕴涵的教学资源，产生新的教学生长点，产生意想不到的教学效果.

利用视频虽然可以极大地激发学生的兴趣，但是如果采用现场展示，或者让学生全程参与实验过程，包括实验操作、数据记录、分析计算和描绘图像，会更加直观；而且经过自己动手和思考之后，对于实验结果会有更深刻的印象，对于结论也会觉得更加自信.

但是，课堂时间有限，利用视频切入会使课堂更加紧凑，在教师的引导下进一步对数据进行分析和计算也显得更有针对性，使课堂信息容量大大增加，也使探究过程更加简洁和高效.

因此，两种形式各有利弊；如何找到最佳方案，也是需要进一步探讨和摸索的.只有通过不断的实践和分析，继续修改和再实践，才能有所领悟，进而有所突破.

当然，不同的教师对细节有不同的处理和取舍，针对不同的学生有不同的教学方法、教学手段.“没有最好，只有更好”是教师对课堂教学最高的追求.