本文发表于《中学物理》（高中）一、全章概述 这一章主要采用图像和公式的方法，从运动学的视角寻找匀变速直线运动的规律，用以解决实际问题。研究变速运动，应该从最简单的变速运动开始，匀变速直线运动就是一种最简单的变速运动。上一章学习的参考系和坐标系，为匀变速直线运动的位置和位移的确定奠定了基础；上一章学习了时间、位移、速度和加速度的概念，本章研究的就是匀变速直线运动的这几个物理量之间的定量关系；上一章学习了用打点计时器测速度，本章研究的匀变速直线运动的特点，就是通过用打点计时器测物体的速度实验来研究的。上一章为本章奠定了全面的基础，本章是上一章概念和方法的具体应用。 本章内容在整个高中力学中具有基础性的地位。这是因为，作为最简单的变速运动，匀变速直线运动的学习为认识其他更复杂的运动创造了条件：了解匀变速直线运动的规律，才能进一步学习平抛运动的规律；认识匀变速直线运动加速度的特点，才有利于进一步认识匀速圆周运动和简谐运动加速度的特点；掌握了匀变速直线运动位移和速度的关系，通过牛顿第二定律，就能进一步推导出动能定理的关系式。 本章共4节课文，其知识线索可分为两部分：第一部分是关于匀变速直线运动及其规律的探究与学习（第1、2、3节），包括匀变速直线运动的速度与时间、位移与时间、速度与位移的关系，并渗透有关的基本方法；第二部分是匀变速直线运动应用的一个具体案例（第4节），包括自由落体运动及其加速度、规律，以及伽利略对它的出色研究。 编者在编写本章教材时，注意通过整体设计，培养学生的核心素养。 1.物理观念。这一章对于物理观念的培养，主要体现运动与相互作用观念的运动部分，使学生形成运动有各种形式，具有相应规律的观念，并用以解决实际问题。机械运动有各种形式，如直线运动、曲线运动，匀速运动、变速运动等。变速运动中最简单的是加速度一定的匀变速直线运动，它有自己的规律，它的速度与时间的关系既可以用图像直观地呈现，也可以用公式简洁地表示。另外，我们还能得到匀变速直线运动的位移与时间的关系、速度与位移的关系。小车在重物牵引下的运动、自由落体运动是匀变速直线运动的例子，生活中汽车、火车的运动，航空航天中飞机、飞船、探测器的运动等，都有可能近似成匀变速直线运动，运用这一章学到的规律就可以解决这些问题。为了加强物质观念及运动观念的学习，教材特意在本章的最后增加了如下的旁批：“世界是物质的，物质的运动有多种形式，例如机械运动、热运动和电磁运动等。这些不同的运动形式有着不同的运动规律，我们将陆续学习。”以便学生从物理观念的角度支认识所学的概念规律。 2.科学思维。这一章主要突出抽象、概括思维和科学推理的学习。在匀变速直线运动的位移与时间定量关系的推导过程中，教材通过将全过程分割成各小段匀速运动再求和的抽象分析，概括出微元求和（微积分）法。这是物理学中处理变化问题常用的一种方法。教材详细介绍伽利略在研究自由落体运动中如何运用逻辑推理指出问题、形成猜想，在实验验证过程中进行合理外推从而得出结论，并在第49页以旁批的形式使学生认识到科学推理在物理学研究中所起的重要作用。 3.科学探究。这一章开篇的学生分组实验“探究小车速度随时间变化的规律”中，教材就以问题串的形式逐步引导学生思考实验设计、物理量及器材的选取、如何选择实验数据的处理方法、怎样看出数据规律等，使他们在设计实验方案、处理实验数据以得出结论方面得到锻炼。 4.科学态度与责任。这一章注重通过引导学生主动思考问题，使他们积极参与研究小车在重物的作用下的运动规律，要求实事求是地记录实验数据。教材对物体下落这种司空见惯运动研究的历史呈现，除了能让学生领悟科学研究的思想和方法，还可以让他们领悟到前辈大师的科学精神，激发起探索自然的内在动力。 由于修订后的课程标准中，共同必修部分比修订前增加了许多内容，编者重新整合原教材内容，将这一章由原教材的6节变为现在的4节，对有些内容做了一定的压缩和差异化的弹性处理。例如，将原来正文部分用极限思想求位移的内容,放到“拓展学习”栏目中，供学有余力的学生选学；将原教材“匀变速直线运动的速度与位移的关系”单独一节的内容，只作为一个导出公式放到“匀变速直线运动的位移与时间的关系”一节中。希望老师们能够根据学生的实际情况对一些内容做出相应的处理。 课时安排建议 第１节 实验：探究小车速度随时间变化的规律 ２课时 第２节 匀变速直线运动的速度与时间的关系 ２课时 第３节 匀变速直线运动的位移与时间的关系 ２课时 第4节 自由落体运动 ２课时 二、具体说明 1.第1节通过实验让学生亲自探究匀变速直线运动的规律。这章教材没有一开篇就定义匀变速直线运动，而是先在第1节让学生做一个这样的实验，画出速度-时间图像，初步分析小车速度的变化规律，既不要求得出小车运动的加速度，也不要求建立匀变速直线运动的概念。然后第2节在分析实验图像的基础上，说明这个运动的特点，进而定义这类运动。这样可以避免过于学术化地定义，让学生先有具体探究的感性基础，因而有利于学生接受，容易从感性认识上升到理性认识。 实验中需要通过测量纸带上的计数点，算出瞬时速度，这在上一章已经作为重点练习过，这里直接作为一项技能来用。这个实验的重点在“数据分析”部分，要求能用物理图像描述实验数据，得出结论。用图像来分析物理问题是高中物理 的重要数学方法之一。这个实验第一次让学生根据实验数据来拟合曲线，因此在“数据分析”部分，先引导学生在无法仅从分析表格数据得出结论的情况下，考虑用速度-时间图像来研究，并在旁注中说明怎样做能够使得到的曲线更符合规律。在“做一做”中以WPS表格软件为例，详细介绍如何用计算机绘制速度-时间图像。 2.第2节没有简单地从加速度公式a＝Δv/Δt，经过变形得出匀变速直线运动的速度公式，而是通过分析上一节实验得到的图像，逐步找出规律。教材引导学生讨论：小车运动的速度-时间图像是一条倾斜的直线,它表示的是什么运动？根据学生在数学课中对线性函数的了解，结合加速度的定义式a＝Δv/Δt可以得出：这是一种加速度不随时间改变的匀变速直线运动。 如果要用公式来描述，可以选定0时刻（运动开始时刻），将时间间隔Δt和速度的变化量Δv的表达式代入加速度的定义式，得到a＝(v- v0)/( t– t0)。在这个式子中，v0和a是不随时间变化的，不同的时刻t将对应着不同的瞬时速度v，因而可以得出v随t的变化关系v＝ v0 a t。在这个基础上，教材进一步让学生根据各项的含义来理解关系式：匀变速直线运动的加速度a在数值上等于单位时间内速度的变化量，所以a t是时间t内速度的变化量，加上运动开始时速度v0的值，就是时刻t的瞬时速度。 教材对匀变速直线运动速度与时间关系式的探讨，注重知识的获取过程，使学生经历了从实验研究中获取数据→作图像→分析图像→寻找规律→理解规律的过程。在看似简单的问题上不简约其研究过程，这对刚刚跨入高中大门的学生养成科学的思维习惯和良好的研究态度具有重要的意义。 3.第3节通过类比匀速直线运动v-t图像求位移的方法，引出匀变速直线运动通过v-t图像求位移的方法。虽然这是通过匀速直线运动特殊的例子类比得出的，但这种方法具有一般性，是物理学中常用的方法。例如，变力做功的问题运用的是同样的方法。 历史上，把物体运动的位移与其v-t图像下的“面积”相联系，在伽利略和笛卡尔那时就已经提上科学的议事日程，但真正解决此问题则是在牛顿和莱布尼兹发明微积分之后。如果说在上一节得出匀变速直线运动的速度公式时，教材重视获取知识的过程而处理了一个“简单”问题的话，那么在这一节，则是把一个在物理学发展中极为深刻而有效的思维方法，以简约化的方式呈现。这样处理有利于防止教学中仅侧重知识点的“吞咽”和“套用”，而忽视科学思维方法的培养。 4.第4节“自由落体运动”一开始就提出了伽利略对亚里士多德落体理论的质疑，并在“科学漫步”中详细地介绍了伽利略研究自由落体运动的方法。教材在介绍自由落体运动规律这些物理学基本知识的同时，适当地、有选择地介绍这个重要研究的历史过程，说明背景、怎样提出问题、遇到什么困难、如何获得突破、曾经有过什么曲折和争论等，使学生能够领悟到前辈大师的科学精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鉴。教材还通过“ＳＴＳ”栏目讲述“从伽利略看科学与社会”的问题，让学生感悟科学与社会的关系，从充满哲理的科学故事中多方面吸收科学的信息。 教材还注重用手边的常用工具做物理实验，在“做一做”中让学生利用手机来测自由落体加速度，在习题中介绍了“频闪照相”的方法。这是考虑到学校里使用的一些仪器多数是生产部门专为学校研发的，比如打点计时器，生活中常常用不到。频闪照相的方法和打点计时器的原理一样，但却比打点计时器更常用。常用的频闪照相方法中所用的频闪仪，对学生来说不易获得，但是可以用手机来制作“频闪照片”，这就为学生研究与运动学有关的课题提供了很好的工具。应该鼓励和引导学生利用这些常用的工具来做物理实验研究，以提高他们解决实际问题的能力，加强联系实际的意识。 |
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