一、全章概述
這一章主要采用圖像和公式的方法，從運(yùn)動(dòng)學(xué)的視角尋找勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，用以解決實(shí)際問題。研究變速運(yùn)動(dòng)，應(yīng)該從最簡單的變速運(yùn)動(dòng)開始，勻變速直線運(yùn)動(dòng)就是一種最簡單的變速運(yùn)動(dòng)。上一章學(xué)習(xí)的參考系和坐標(biāo)系，為勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位置和位移的確定奠定了基礎(chǔ)；上一章學(xué)習(xí)了時(shí)間、位移、速度和加速度的概念，本章研究的就是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的這幾個(gè)物理量之間的定量關(guān)系；上一章學(xué)習(xí)了用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度，本章研究的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，就是通過用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)物體的速度實(shí)驗(yàn)來研究的。上一章為本章奠定了全面的基礎(chǔ)，本章是上一章概念和方法的具體應(yīng)用。
本章內(nèi)容在整個(gè)高中力學(xué)中具有基礎(chǔ)性的地位。這是因?yàn)?，作為最簡單的變速運(yùn)動(dòng)，勻變速直線運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)為認(rèn)識(shí)其他更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了條件：了解勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，才能進(jìn)一步學(xué)習(xí)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律；認(rèn)識(shí)勻變速直線運(yùn)動(dòng)加速度的特點(diǎn)，才有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)勻速圓周運(yùn)動(dòng)和簡諧運(yùn)動(dòng)加速度的特點(diǎn)；掌握了勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移和速度的關(guān)系，通過牛頓第二定律，就能進(jìn)一步推導(dǎo)出動(dòng)能定理的關(guān)系式。
本章共4節(jié)課文，其知識(shí)線索可分為兩部分：第一部分是關(guān)于勻變速直線運(yùn)動(dòng)及其規(guī)律的探究與學(xué)習(xí)（第1、2、3節(jié)），包括勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間、位移與時(shí)間、速度與位移的關(guān)系，并滲透有關(guān)的基本方法；第二部分是勻變速直線運(yùn)動(dòng)應(yīng)用的一個(gè)具體案例（第4節(jié)），包括自由落體運(yùn)動(dòng)及其加速度、規(guī)律，以及伽利略對(duì)它的出色研究。
編者在編寫本章教材時(shí)，注意通過整體設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。
1.物理觀念。這一章對(duì)于物理觀念的培養(yǎng)，主要體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念的運(yùn)動(dòng)部分，使學(xué)生形成運(yùn)動(dòng)有各種形式，具有相應(yīng)規(guī)律的觀念，并用以解決實(shí)際問題。機(jī)械運(yùn)動(dòng)有各種形式，如直線運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)，勻速運(yùn)動(dòng)、變速運(yùn)動(dòng)等。變速運(yùn)動(dòng)中最簡單的是加速度一定的勻變速直線運(yùn)動(dòng)，它有自己的規(guī)律，它的速度與時(shí)間的關(guān)系既可以用圖像直觀地呈現(xiàn)，也可以用公式簡潔地表示。另外，我們還能得到勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系、速度與位移的關(guān)系。小車在重物牽引下的運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)的例子，生活中汽車、火車的運(yùn)動(dòng)，航空航天中飛機(jī)、飛船、探測(cè)器的運(yùn)動(dòng)等，都有可能近似成勻變速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用這一章學(xué)到的規(guī)律就可以解決這些問題。為了加強(qiáng)物質(zhì)觀念及運(yùn)動(dòng)觀念的學(xué)習(xí)，教材特意在本章的最后增加了如下的旁批：“世界是物質(zhì)的，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有多種形式，例如機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)和電磁運(yùn)動(dòng)等。這些不同的運(yùn)動(dòng)形式有著不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，我們將陸續(xù)學(xué)習(xí)。”以便學(xué)生從物理觀念的角度支認(rèn)識(shí)所學(xué)的概念規(guī)律。
2.科學(xué)思維。這一章主要突出抽象、概括思維和科學(xué)推理的學(xué)習(xí)。在勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間定量關(guān)系的推導(dǎo)過程中，教材通過將全過程分割成各小段勻速運(yùn)動(dòng)再求和的抽象分析，概括出微元求和（微積分）法。這是物理學(xué)中處理變化問題常用的一種方法。教材詳細(xì)介紹伽利略在研究自由落體運(yùn)動(dòng)中如何運(yùn)用邏輯推理指出問題、形成猜想，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程中進(jìn)行合理外推從而得出結(jié)論，并在第49頁以旁批的形式使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)推理在物理學(xué)研究中所起的重要作用。
3.科學(xué)探究。這一章開篇的學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”中，教材就以問題串的形式逐步引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、物理量及器材的選取、如何選擇實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法、怎樣看出數(shù)據(jù)規(guī)律等，使他們?cè)谠O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以得出結(jié)論方面得到鍛煉。
4.科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。這一章注重通過引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考問題，使他們積極參與研究小車在重物的作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，要求實(shí)事求是地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。教材對(duì)物體下落這種司空見慣運(yùn)動(dòng)研究的歷史呈現(xiàn)，除了能讓學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)研究的思想和方法，還可以讓他們領(lǐng)悟到前輩大師的科學(xué)精神，激發(fā)起探索自然的內(nèi)在動(dòng)力。
由于修訂后的課程標(biāo)準(zhǔn)中，共同必修部分比修訂前增加了許多內(nèi)容，編者重新整合原教材內(nèi)容，將這一章由原教材的6節(jié)變?yōu)楝F(xiàn)在的4節(jié)，對(duì)有些內(nèi)容做了一定的壓縮和差異化的彈性處理。例如，將原來正文部分用極限思想求位移的內(nèi)容,放到“拓展學(xué)習(xí)”欄目中，供學(xué)有余力的學(xué)生選學(xué)；將原教材“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度與位移的關(guān)系”單獨(dú)一節(jié)的內(nèi)容，只作為一個(gè)導(dǎo)出公式放到“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”一節(jié)中。希望老師們能夠根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況對(duì)一些內(nèi)容做出相應(yīng)的處理。
課時(shí)安排建議
第１節(jié) 實(shí)驗(yàn)：探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律 ２課時(shí)
第２節(jié) 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度與時(shí)間的關(guān)系 ２課時(shí)
第３節(jié) 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系 ２課時(shí)
第4節(jié) 自由落體運(yùn)動(dòng) ２課時(shí)
二、具體說明
1.第1節(jié)通過實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生親自探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。這章教材沒有一開篇就定義勻變速直線運(yùn)動(dòng)，而是先在第1節(jié)讓學(xué)生做一個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)，畫出速度-時(shí)間圖像，初步分析小車速度的變化規(guī)律，既不要求得出小車運(yùn)動(dòng)的加速度，也不要求建立勻變速直線運(yùn)動(dòng)的概念。然后第2節(jié)在分析實(shí)驗(yàn)圖像的基礎(chǔ)上，說明這個(gè)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，進(jìn)而定義這類運(yùn)動(dòng)。這樣可以避免過于學(xué)術(shù)化地定義，讓學(xué)生先有具體探究的感性基礎(chǔ)，因而有利于學(xué)生接受，容易從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。
實(shí)驗(yàn)中需要通過測(cè)量紙帶上的計(jì)數(shù)點(diǎn)，算出瞬時(shí)速度，這在上一章已經(jīng)作為重點(diǎn)練習(xí)過，這里直接作為一項(xiàng)技能來用。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)在“數(shù)據(jù)分析”部分，要求能用物理圖像描述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。用圖像來分析物理問題是高中物理 的重要數(shù)學(xué)方法之一。這個(gè)實(shí)驗(yàn)第一次讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來擬合曲線，因此在“數(shù)據(jù)分析”部分，先引導(dǎo)學(xué)生在無法僅從分析表格數(shù)據(jù)得出結(jié)論的情況下，考慮用速度-時(shí)間圖像來研究，并在旁注中說明怎樣做能夠使得到的曲線更符合規(guī)律。在“做一做”中以WPS表格軟件為例，詳細(xì)介紹如何用計(jì)算機(jī)繪制速度-時(shí)間圖像。
2.第2節(jié)沒有簡單地從加速度公式a＝Δv/Δt，經(jīng)過變形得出勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度公式，而是通過分析上一節(jié)實(shí)驗(yàn)得到的圖像，逐步找出規(guī)律。教材引導(dǎo)學(xué)生討論：小車運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖像是一條傾斜的直線,它表示的是什么運(yùn)動(dòng)？根據(jù)學(xué)生在數(shù)學(xué)課中對(duì)線性函數(shù)的了解，結(jié)合加速度的定義式a＝Δv/Δt可以得出：這是一種加速度不隨時(shí)間改變的勻變速直線運(yùn)動(dòng)。
如果要用公式來描述，可以選定0時(shí)刻（運(yùn)動(dòng)開始時(shí)刻），將時(shí)間間隔Δt和速度的變化量Δv的表達(dá)式代入加速度的定義式，得到a＝(v- v0)/( t– t0)。在這個(gè)式子中，v0和a是不隨時(shí)間變化的，不同的時(shí)刻t將對(duì)應(yīng)著不同的瞬時(shí)速度v，因而可以得出v隨t的變化關(guān)系v＝ v0 a t。在這個(gè)基礎(chǔ)上，教材進(jìn)一步讓學(xué)生根據(jù)各項(xiàng)的含義來理解關(guān)系式：勻變速直線運(yùn)動(dòng)的加速度a在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)速度的變化量，所以a t是時(shí)間t內(nèi)速度的變化量，加上運(yùn)動(dòng)開始時(shí)速度v0的值，就是時(shí)刻t的瞬時(shí)速度。
教材對(duì)勻變速直線運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間關(guān)系式的探討，注重知識(shí)的獲取過程，使學(xué)生經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)研究中獲取數(shù)據(jù)→作圖像→分析圖像→尋找規(guī)律→理解規(guī)律的過程。在看似簡單的問題上不簡約其研究過程，這對(duì)剛剛跨入高中大門的學(xué)生養(yǎng)成科學(xué)的思維習(xí)慣和良好的研究態(tài)度具有重要的意義。
3.第3節(jié)通過類比勻速直線運(yùn)動(dòng)v-t圖像求位移的方法，引出勻變速直線運(yùn)動(dòng)通過v-t圖像求位移的方法。雖然這是通過勻速直線運(yùn)動(dòng)特殊的例子類比得出的，但這種方法具有一般性，是物理學(xué)中常用的方法。例如，變力做功的問題運(yùn)用的是同樣的方法。
歷史上，把物體運(yùn)動(dòng)的位移與其v-t圖像下的“面積”相聯(lián)系，在伽利略和笛卡爾那時(shí)就已經(jīng)提上科學(xué)的議事日程，但真正解決此問題則是在牛頓和萊布尼茲發(fā)明微積分之后。如果說在上一節(jié)得出勻變速直線運(yùn)動(dòng)的速度公式時(shí)，教材重視獲取知識(shí)的過程而處理了一個(gè)“簡單”問題的話，那么在這一節(jié)，則是把一個(gè)在物理學(xué)發(fā)展中極為深刻而有效的思維方法，以簡約化的方式呈現(xiàn)。這樣處理有利于防止教學(xué)中僅側(cè)重知識(shí)點(diǎn)的“吞咽”和“套用”，而忽視科學(xué)思維方法的培養(yǎng)。
4.第4節(jié)“自由落體運(yùn)動(dòng)”一開始就提出了伽利略對(duì)亞里士多德落體理論的質(zhì)疑，并在“科學(xué)漫步”中詳細(xì)地介紹了伽利略研究自由落體運(yùn)動(dòng)的方法。教材在介紹自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律這些物理學(xué)基本知識(shí)的同時(shí)，適當(dāng)?shù)亍⒂羞x擇地介紹這個(gè)重要研究的歷史過程，說明背景、怎樣提出問題、遇到什么困難、如何獲得突破、曾經(jīng)有過什么曲折和爭論等，使學(xué)生能夠領(lǐng)悟到前輩大師的科學(xué)精神、物理思想、研究方法，得其精髓，有所借鑒。教材還通過“ＳＴＳ”欄目講述“從伽利略看科學(xué)與社會(huì)”的問題，讓學(xué)生感悟科學(xué)與社會(huì)的關(guān)系，從充滿哲理的科學(xué)故事中多方面吸收科學(xué)的信息。
教材還注重用手邊的常用工具做物理實(shí)驗(yàn)，在“做一做”中讓學(xué)生利用手機(jī)來測(cè)自由落體加速度，在習(xí)題中介紹了“頻閃照相”的方法。這是考慮到學(xué)校里使用的一些儀器多數(shù)是生產(chǎn)部門專為學(xué)校研發(fā)的，比如打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，生活中常常用不到。頻閃照相的方法和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的原理一樣，但卻比打點(diǎn)計(jì)時(shí)器更常用。常用的頻閃照相方法中所用的頻閃儀，對(duì)學(xué)生來說不易獲得，但是可以用手機(jī)來制作“頻閃照片”，這就為學(xué)生研究與運(yùn)動(dòng)學(xué)有關(guān)的課題提供了很好的工具。應(yīng)該鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生利用這些常用的工具來做物理實(shí)驗(yàn)研究，以提高他們解決實(shí)際問題的能力，加強(qiáng)聯(lián)系實(shí)際的意識(shí)。
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