2021学年第一章 运动的描述3 运动快慢的描述──速度教学设计

这是一份2021学年第一章 运动的描述3 运动快慢的描述──速度教学设计，共5页。教案主要包含了课标要求，教材分析，教法建议，教学资源等内容，欢迎下载使用。

1.理解坐标变化量的物理意义，能用坐标变化量表示直线运动的位移和时间。
2.通过极短时间内的平均速度认识瞬时速度。通过瞬时速度，初步了解极限的思想。
3.通过对日常生活中有关速度的实例的分析，体会变化率的概念及表达方式。
4.理解速度和速率的物理意义，知道速度是矢量。
二、教材分析
本节的第一部分内容继续强调某个物理量与它的变化量的关系，意在对该部分知识温故与拓展，为后继内容的学习奠定基础。
学生通过初中物理的学习和生活体验，已经有了速度的初步概念，但这种概念比较肤浅，也不准确。本书没有在一般性的速度概念和平均速度的概念上面下功夫，而是比较简洁地深入到瞬时速度的概念。
本书定义瞬时速度使用到了极限的思想，但没有提出“极限”这个术语。只要不要求极限的数学定义、不要求极限的运算，中学生完全可以接收极限的思想，包括后面设计的定积分的思想研究位移等。
用极限的思想定义瞬时速度是建于这样一种思想：把一个变化的事物分解成很小的部分，每个小部分都可以看成是不变的，可以用比较简单的方法去处理，在把各个小部分的结果再合起来，就得到整个问题的解，这是近代数学物理中常用的方法。在现代信息技术中，把模拟信号变成数字信号时，要分割、取样、量化，实际上就是取极限的过程。所以极限的思想已经不是个知识，它是一种方法、一种观念，对于以后的学习甚至科学思想方法的形成都是很重要的。
“说一说”和“做一做”两个栏目都是扩展性学习内容，前者偏重于思考，后者偏重于动手操作。它单是知识性的扩展，而在于激发学生的兴趣、激发学生的思考，或发展学生的动手操作能力。
STS栏目强调的是科学技术与社会的关系。本节“速度与现代社会”讲的是，由于交通工具速度的提高，成熟规模的扩大，战争观念改变了，不同文化的交融加快了……STS的意义在于揭示科技与社会的互动关系，而非单纯的科学知识在技术上的应用。如果只讲科学的发展使得汽车、飞机、轮船等技术发展了，人们可以“日行千里”，却不涉及城市建设、战争观念、文化交流等社会层面的内容，那就不是本来意义的STS。这点应引起注意。本节STS借协和客机停飞一事，引导学生讨论“交通工具的速度是不是越快越好”这样的问题，这是一个开放性的问题，意在让学生去思考，去讨论。
“问题与练习”中的第3题要计算速度，这本是十分容易的事，但要获得计算所需数据，学生需读懂列车时刻表，这可能成为难点。
三、教法建议
1.坐标与坐标的变化量
本小节重在强化某个物理量与它的变化量的关系，教学中注意突出如下几点：
（1）位置“坐标的符号”、“坐标的数值”与“坐标的正负”的意义。
（2）某个物理量的变化量的一般计算方法是：用后来的量减去原来的量。
（3）用位置坐标差表示位移，强化“差的数值”与“差的正负”的意义。
2.速度
本小节的核心是用速度描述运动快慢的方法，主要突出了三个方面的思想：比较物体运动快慢的方法；速度的定义方法；速度的矢量性。该部分学生接受起来不会有太大的困难，所以不可在这里就差过多的时间，进行教学设计时要抓住如下几点：
（1）让学生明确比较位置变化快慢的必要性和基本途径：比较相同时间内通过的位移大小或比较通过相同位移所需要的时间。要列举实例让学生领会。
（2）物理学中比较位置变化快慢的标准：比较相同时间内通过的位移大小。可列举运动场上描述运动员跑得快慢的方法：用最后的成绩描述时，比较的是相通路程（或位移）所用的时间，既看谁用的时间短；观察比赛过程中的比赛情景时，比较的是相同时间内通过的路程（或位移），既看谁在最前面
（3）速度的定义方法和单位的意义：用位移与发生这个位移所用时间的比值描述运动的快慢。速度为6m/s时，读作6米每秒，表示如果匀速运动在一秒内通过6m的位移。
要注意强调v=△x/△t表示的是比值定义法，v与△x、△t没有决定关系。
（4）速度的矢量性：其方向就是物体运动的方向。
3.平均速度和瞬时速度
平均速度与瞬时速度是为不同的描述需要而引入的，而用极限的思想定义瞬时速度学生是第一次接触，所以教学中既要让学生领会极限的思想，又要控制教学的难度，可以考虑这样进行教学设计：
（1）通过实例让学生感悟“物体的运动快慢是变化的，绝对准确地描述物体的运动快慢是困难的”。
（2）说明v=△x/△t描述的是物体在△t时间内或△x位移上的平均快慢程度，以此引入平均速度的概念。
（3）引导学生思考“从t到t+△t时间内的平均速度，在△t取不同值时跟t时刻速度的关系”，从而接受“在△t非常小时，就可以认为v=△x/△t是物体在时刻t的速度”这一极限思想，以此引入瞬时速度的概念。要注意的是只需体现极限的思想，不要引入“极限”这个术语。
（4）对瞬时速度，要列举实例让学生理解：某时刻瞬时速度的数值，等于从该时刻起，以该速度匀速运动时，单位时间内通过的距离。
（5）匀速直线运动是平均速度与瞬时速度相等的运动，通常叙述中的速度到底是平均速度还是瞬时速度，要通过上下文结合判断，以培养学生具体问题具体分析的学习习惯。
4.速度和速率
本小节的教学主要应解决三个问题：一是速率是指速度的大小；二是交通工具上速度计显示的是瞬时速率；三是明确日常生活中人们常说的速度大多是指速率。
本节需要注意的一个问题是：瞬时速率等于瞬时速度的大小，但平均速率不一定等于平均速度的大小。例如，沿闭合圆周运动一圈，位移是零，平均速度是零，但平均速率并不等于零。
5.“做一做”和“说一说”
“做一做”可安排在课外活动时间做，以兴趣小组的组织形式开展，重在突出描述的方法，对长距离和短距离上的速度，可以联系到平均速度和瞬时速度；“说一说”可以在课堂上展开讨论，重在澄清认识，领会瞬时速度的概念。
6.关于STS
本节STS借协和客机停飞一事，引导学生讨论“交通工具的速度是不是越快越好”这样的问题。教学中只要学生参与就可以了，不要企图得到什么结论性的意见。
四、教学资源
1.速度在1米/秒以下的表演
(1)10的负11次方米／秒(10微微米/秒) 青藏高原缓慢上升
青藏高原只是在近二百万年左右的时间内，从海拔1000米的高度达到了现在的海拔4700米的高度。它的平均上升速度是58.7微微米/秒。但每个地质时期它隆升的速度并不均匀，在距今两百万年前的早更新世时期，它上升了1000米；在距今一百万年前的中更新世时期又上升了1000米；但从晚更新世以来的仅10余万年，它却上升了1500米以上，平均每年升高10毫米，其中，从距今一万年前起，它上升的速度加快，平均每年上升70毫米。现在，它仍处在快速上升的时期。
应当说明的是，迄今为止，10微微米/秒的速度并不是人类观测到的物质运动的最慢速度。物质运动的最慢速度仍有待于进一步的观测和确定。
(2)10的负10次方米／秒(1埃/秒) 尔威兹加树慢慢长高
自然界树木生长的速度，真是千差万别，有的快得惊人，有的慢得出奇。例如在前苏联的喀拉哈里沙漠中，有一种名叫尔威兹加的树，个子很矮，整个树冠是圆形的，从正面看，象是沙地上的小圆桌。它的生长速度极慢，100年才长高30厘米，即1埃/秒。也就是说，每秒钟它仅仅长高十亿分之一厘米。
(3)10的负9次方米／秒(1纳米/秒) 东非大裂谷不断开裂
据地球物理勘探资料分析，东非裂谷带存在着许多活火山。这些活火山的不间断活动，导致大裂谷不停地向两边开裂，虽然速度非常缓慢，但近200万年来，却达到了平均每年开裂大约2～4厘米的速度。按中间数每年开裂3厘米的速度计算，速度达到了1纳米/秒。可别小看这个速度，它1万年就是300多米。如果依此不停地开裂下去，未来的某一天，东非大裂谷终会将它东面的陆地从非洲大陆分离出去，从而产生一片新的海洋以及众多的岛屿。
(4)10的负8次方米／秒(10纳米/秒) 海岸一步步后退
本世纪初，我国局部地区海岸侵蚀还相当严重。特别是在采沙过度的海岸，近2～3年内海水向陆地侵蚀100多米，侵蚀最严重的地方达200～300米。黄河入海口一带的海岸，仍以2.3米/年、即72纳米/秒的速度后退。
(5)10的负7次方米／秒(100纳米/秒) 沙丘缓缓移动
自1950年以后，由于我国塔里木河上游耕垦不断扩大，致使塔里木河下游生态环境急剧恶化，主要表现在水源减少，特别是若羌县所属阿拉干以下，在1972年后已经断流，地下水位下降，水质变坏，森林植被衰败，土地沙漠化加剧发展。到1985年，低矮沙丘以10米/年、317纳米/秒的速度向前移动。由于水源枯竭和植被死亡，更使原有的灌丛沙堆迅速向流动沙丘方向发展。
(6)10的负6次方米／秒(1微米/秒) 大气尘粒降落
大气中还含有大量的尘粒和其它固体物质。尤其是粒径为0.1微米到5微米的微粒，对于地表能量平衡影响甚大。根据测定，此类尘粒中的少部分尘粒在大气中的下沉速度约为1厘米/小时，即2.8微米/秒。如在2公里高空处存在着这类粒子时，约需20多年的时间才能沉降到地面。
在英国发现一种生长很快的花卉植物，这种花卉属于西洋丁香家族的一种。在14天的时间里它长高3.65米，也就是说每天长254毫米，长高速度达到了2.9微米/秒。
2.速度在1米/秒以上的表演
(1)10的0次方米／秒(1米/秒)浓烟扩散
1米/秒到9米/秒速度，是日常生活中较为常见的物质运动速度。具备这一区间运动速度的物质，常常与人们的生活密切相关。
火灾产生的高温浓烟扩散速度为约1米／秒左右，其垂直扩散速度比水平方向快3～5倍。这种带有毒气的烟给救人、自救和疏散造成极大威胁。
一级风的标准风速是1米/秒。当微风吹起，树叶轻微摆动，炊烟能表示风向，海水则微微泛起波浪。我国东海海域的黑潮流的平均流速为1米/秒。
成年人步行的平均速度约为1米/秒，游泳的速度约为2米/秒。
球形闪电大多出现在雷雨交加的时刻或暴风雨前后，呈发光的火球形状，中心极亮。这种火球的颜色多变，直径通常为10～40厘米。发生球形闪电的持续时间仅在几十秒之间。它常常以2米/秒的速度作水平移动，有时停留在半空中，有时又降落地面。
我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大,在这些地区，发展风力发电是很有前途的。
海水流动速度为每秒3米，潮汐的流动速度为5米/秒。
一个直径8米左右的载人降落伞，其下降速度是6米/秒。
长跑运动员的速度约为7米/秒。
雨水降落的一般速度约为8米/秒。
世界上第一台直接驱动机器人最大行走速度9米/秒，能提动6千克重物，定位精度达0.1毫米。
据科学家估算，霸王龙的奔跑速度平均约为9米/秒。
(2)10的2次方米／秒(100米/秒) 大风暴席卷高山
1958年4月12日美国新汉普郡，在1916米高的华盛顿山上,大风暴的风速达到了每小时371公里，即103米/秒,这是风暴风速最大的世界记录。
1999年10月22日，登普西世界纪录协会拥有的一台名为“白色闪电电动流线型汽车”的电动汽车，在美国犹他州的邦纳维尔盐沼达到了395.821公里/小时，即110米/秒的创纪录速度。
神经脉冲沿神经纤维的传输速度为120米/秒。
次声波在空气中的传播速度约为300米/秒，声波在空气中传播速度是340米/秒。
“道尔”导弹又叫“圆环胎”导弹，北约国家称作“萨姆15”导弹，它是一种机动型全天候近程防空武器，导弹发射后在极短的时间里就能达到每秒860米的高速度，它可以攻击最大飞行速度达到700米／秒的飞机或导弹，而目前大部分机动式防空武器只能攻击速度约5O0米／秒的空中目标。
子弹射出枪口的速度大约是900米/秒。
（3）10的3次方米／秒(1公里/秒) 地震波迅猛扩散
声音在水中的速度为1.453公里/秒。
在第一次世界大战中，德国制造了一种炮身长34米的大炮，炮弹的速度达到1.6公里/秒。
气象火箭升空的速度约为1.7公里/秒。
地震波的纵波传播速度约5～6公里／秒。在震中区，人们对纵波的感觉是上下颠动。横波的传播速度约为3～5公里／秒。在震中区，人们对横波的感觉是前后左右晃动。因横波速度比纵波速度小，故横波跟在纵波后面。
电磁炮是利用电磁力为炮弹加速的电磁发射系统。电磁炮弹主要用于反导弹和反卫星作战。电磁炮的速度可达3～20公里/秒，能有效地摧毁空间的各种人造卫星和导弹。
人造卫星环绕地球运行的速度是7.9公里/秒，这一速度被称为“第一宇宙速度”。
(4)10的4次方米／秒(10公里/秒) 流星雨追撞地球
在太阳系中除了九大行星和它们的卫星以外，还有彗星、小行星及一些更小的天体。小天体的体积虽小，但它们也和九大行星一样，在围绕太阳公转。如果它们有机会经过地球附近，就有可能以每秒几十公里的速度闯入地球大气层，与地球大气发生剧烈摩擦，从而发出耀眼的光芒。这就是我们经常看到的流星。流星雨是一种有成群的流星看起来像是从夜空中的一点中迸发出来，并坠落下来的特殊天象。这一点或一小块天区叫做流星雨的辐射点。流星雨中流星运动速度都在12公里/秒到72公里/秒之间。
到2004年的今天，美国人发明的太空飞行器还正在飞出太阳系。其中最远的是旅行者一号，前几年的数据是已经离开太阳120多亿公里，每年差不多要离开太阳5.7亿公里。它的飞行速度是17.4公里/秒。
(5)10的9次方米／秒(100万公里/秒)或以上 类星体辐射源超光速分离
1960年，射电天文学家用当时世界上最大的望远镜观测到两个射电源。结果发现它们都是很暗的蓝色的星，尽管看起来像恒星，但又不是通常的恒星。天文学上称它们为类星射电源，简称类星体。令人惊奇的是，在某些类星体中，其分立的子电波源间出现分离的相对速度居然快过光速！1977年以来的发现证实，其中一个类星体的内部有两个辐射源，并且它们还在相互分离，分离的速度竟高达288万公里/秒，是光速的9.6倍!
这种与广义相对论矛盾的现象应该如何理解呢？这里要对对光速极限这个结论要加一点注解。
有一种不正确的理解，认为光速极限是一切速度的极限。错了，光速只是物体运动速度的一种极限，或能量传递速度的一种极限。如果不注意这个条件，一般地谈速度。那么，找寻超光速的现象在物理学中并不是难事。
举一个极常见的例子。在节日的晚上，当探照灯射向高空的云层时，由于云层的反射，你会在云层上看到一个亮点。当地面上的探照灯慢慢转动时，亮点却以极快的速度在运动。如果能有足够高的云层，这个亮点的速度就可以超过光速。这时，沿着亮点运动的轨道并没有能量的传递，所以它的速度并不受光速极限的限制。
探照灯的例子可以解释类星体的超光速现象：类星体的中心母体喷射出两股相反方向的粒子流(相当于探照灯的光)，它照射在星系际介质上(相当于高空中的云)，从而激起射电辐射(相当于亮点)。因此，只要中心母体有小的摆动。粒子流照射所激起的辐射区就会迅速地移动。光速不是这种辐射区移动速度的极限，因而超过光速是许可的。
在宇宙大爆炸的初期，宇宙经历了一次极为短暂的暴涨阶段，在宇宙诞生后的10-35 -10-33秒，宇宙奇点的直径就由10的负26次方米扩张到了10的24次方米(约相当于1亿光年)！依此计算，宇宙奇点在这一时间段的暴涨速度达到了10的52次方万公里/秒，远远大于30万公里/秒的光速。宇宙如此高速暴涨的能量自何而来，仍是一个未解之谜。
目前，超光速现象还处在研究和论证阶段。发现没有止境，探索还要继续。大千世界精彩的“速度”表演还会有新的内容展现在人们面前！