高中物理-簡諧運動教學(xué)設(shè)計

高中物理-簡諧運動教學(xué)設(shè)計教學(xué)目標(biāo).知道機械振動的概念；理解簡諧運動及回復(fù)力的特點；.理解簡諧運動在一次全振動過程中加速度、速度的變化情況；.以直觀教學(xué)為突破口，引導(dǎo)學(xué)生在不同的現(xiàn)象中尋找共同的特征，培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、邏輯思維能力和實踐能力。重點難點重點：簡諧運動的規(guī)律難點：簡諧運動的運動學(xué)特征和動力學(xué)特征設(shè)計思想振動是自然界普遍存在的運動形式，但它的運動過程較前面學(xué)過的直線運動、平拋運動、圓周運動復(fù)雜得多。高中課程對振動的教學(xué)重點在簡諧運動。學(xué)生對簡諧運動從運動形式上可以較好的接受，但對其動力學(xué)方面的特點理解會有些困難，所以本課重點安排了學(xué)生自主探究、舉例證明等形式，讓學(xué)生逐漸認(rèn)識到受力特點，從而理解回復(fù)力。在對各物理量之間關(guān)系的教學(xué)中，主要通過學(xué)生觀察、記錄、總結(jié)等過程，讓學(xué)生通過自己的努力得出結(jié)論，比老師直接給予會理解得更到位。在理解對稱性、周期性的環(huán)節(jié)，還是通過學(xué)生自己動手實驗、記錄，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵點，總結(jié)規(guī)律。本節(jié)課通過學(xué)生自己觀察、實驗、記錄、探究、總結(jié)，很好得將課堂交給了學(xué)生，老師精心得環(huán)節(jié)設(shè)計、適時得引導(dǎo)總結(jié)，又將學(xué)生的結(jié)論提升到理論層次，深化了學(xué)生的理解。教學(xué)資源《簡諧運動》多媒體課件；實驗器材：單擺裝置、輕彈簧和小球、水平彈簧振子、氣墊式彈簧振子等。教學(xué)設(shè)計【課堂引入】觀察：樹梢在微風(fēng)中搖擺（視頻）細(xì)繩拴著的小球做運動（實驗）彈簧系著的滑塊在氣墊導(dǎo)軌上運動（實驗）。問題：這些運動情況有什么共同之處？（學(xué)生的答案：都在晃動（較多）；都在做往復(fù)運動；都在做周期性運動；都在振動等）正如同學(xué)們所看到的，他們都在某個位置附近往復(fù)運動。這樣的運動在我們?nèi)粘Ｉ钪泻芏?，在物理學(xué)上，我們將物體（或物體的某一部分）在某一位置兩側(cè)所做的往復(fù)運動，叫做機械振動，通常簡稱為振動，這個位置稱為平衡位置?！菊n堂學(xué)習(xí)】學(xué)習(xí)活動一：尋找最簡單的機械振動的動力學(xué)特點問題1:在剛才的概念中，我們提到了“這個位置稱為平衡位置”，那么請大家就剛才的幾個實例，總結(jié)一下什么位置是平衡位置？（學(xué)生的答案：物體原來靜止的位置）原來，平衡位置是物體原來靜止的位置，即原來受力平衡的位置，在受到擾動后就在這個位置兩側(cè)做往復(fù)運動。問題2:我們知道，物體的運動情況是由受力決定的，而研究實際問題又往往是從簡單問題開始的。分析剛才的三種情況，哪一個振動物體受力最簡單？你還能對其做進(jìn)一步簡化嗎？（學(xué)生的答案：彈簧系著的滑塊在氣墊導(dǎo)軌上運動的模型比較簡單）根據(jù)大家選擇的簡單模型，我們可以簡化為在光滑的水平桿上套著一個小球，彈簧一端固定，另一端連接在小球上，小球可以在桿上滑動。小球和水平桿之間的摩擦力忽略不計，彈簧的質(zhì)量比小球的質(zhì)量小得多，也可以忽略不計。一一彈簧振子（理想模型）問題3:尋找出彈簧振子的平衡位置，分析振動過程中，振子相對于平衡位置的位移（如圖）與振子受力的關(guān)系。 甩出H辦理劃二I（學(xué)生分析講解：平衡位置在彈簧的原長的位置，y7p~'；廠仁普五可F曠0-萬，-萬廠"I以平衡位置O為原點，建立Ox軸，向右為％軸的正一?方向。振子在任何時刻相對于O點的位移可用x表示，制:請游mIN? Ix值的大小表示振子相對于O點的距離;x值的正負(fù)表 工示振子在O點的右側(cè)還是左側(cè)，再根據(jù)胡克定律的振子所受的彈力的大小和方向可用F=-kx來表示。）老師小結(jié)：通過對該模型的分析，我們不難看出，平衡位置的力學(xué)特點：振子在該點受到的振動方向的合力為零;振子在振動過程中受到的振動方向上的合力與相對于平衡位置的位移成正比，并方向始終指向平衡位置，與位移方向相反。在物理學(xué)上，在物體偏離平衡位置時，都會受到一個指向平衡位置的力，這種力叫做回復(fù)力。這是一個按效果命名的力。就如大家剛才所分析的模型，如果物體所受的力與它偏離平衡位置的位移大小成正比，并且總指向平衡位置，則物體所做的運動叫做簡諧運動。典例：彈簧振子的振動。簡諧運動是最簡單、最基本的振動。也是我們高中物理研究的振動中的典型模型。下面我們就一起來根據(jù)簡諧運動的動力學(xué)特點，分析一下以下幾個模型是否是簡諧運動。問題4：分析以下三個模型，判斷是否為簡諧運動。施海悼中上下河時的在龐計（學(xué)生分析，通過投影分析。通過此四個模型，讓學(xué)生學(xué)會判斷平衡位置，掌握回復(fù)力（即振動方向上的合力）的分析，理解簡諧運動的條件。尤其是通過第四個模型的分析，讓學(xué)生體會平衡位置是振動方向合力為零的位置，但在該位置上合力不一定為零。）（過渡：通過我們共同的努力，我們知道了什么是機械振動，理解了簡諧運動的動力學(xué)特點。我們在以往的學(xué)習(xí)中，會用位移、速度、加速度等物理量來描述勻變速直線運動的特征，那么又用什么來描述簡諧運動的特征呢？）學(xué)習(xí)活動二：探究簡諧運動的運動特征1、描述振動快慢的物理量一周期（T）、頻率6）問題1:觀察不同的彈簧振子模型，思考什么物理來描述它的快慢？（學(xué)生的答案：由于簡諧運動是周期性運動，所以可以用周期或頻率來描述它的運動快慢）老師追問：那么從哪開始到哪結(jié)束算一個周期呢？（學(xué)生的答案：可以從平衡位置開始，到再次到平衡位置結(jié)束。）老師分析：對周期性的概念，我們數(shù)學(xué)上、圓周運動中都遇到過，所以不難理解，從位置上看，從某一位置出發(fā)，到再次回到該位置可以看成一個周期的運動，但我們從振子運動的各個物理量看，只看位置還不夠，還要關(guān)注一下速度，所以一個周期的運動應(yīng)從平衡位置開始，到再次以相同的速度回到平衡位置；或從任意位置開始，到再次以相同的速度回到這一位置。在物理學(xué)上，我們將這樣一個過程稱為一次全振動，振子完成一次全振動所用的時間叫做振動的周期。單位時間內(nèi)完成的全振動的次數(shù)，叫做振動的頻率。周期（T）和頻率（f）都是表示振動快慢的物理量。2、描述振動強弱的物理量——振幅（4）問題2：觀察、對比不同的實驗?zāi)Ｐ?，除了我們剛才看到的快慢不同，還有什么不同呢？（學(xué)生分析：通過對實驗?zāi)Ｐ偷挠^察，我們還可看到，不同的模型中振子振動的空間范圍不同，但對同一個振動模型振子始終在一定范圍能振動，如果無阻力，那么它到達(dá)偏離平衡位置的最大距離是不變的。所以這個最大位移的值能表示出振動的強弱。）老師小結(jié)：物理學(xué)將振動物體離開平衡位置的最大距離，叫做振動的振幅。振幅是表示振動強弱的物理量。（過渡：我們從力學(xué)角度、運動學(xué)角度都對簡諧運動進(jìn)行分析，那么在簡諧運動中各物理量之間有怎樣的變化中的規(guī)律以及這其中能量的變化又有什么特點呢？下面就請同學(xué)們通過自己的觀察和討論，看看能不能把這些規(guī)律、特點找出來。）學(xué)習(xí)活動三：探究簡諧運動中各物理量的變化及簡諧運動的能量變化的特點問題1:請觀察彈簧振子在運動過程中速度的變化及彈簧長度的變化，完成下面的表格。TOC\o"1-5"\h\z（以向右為正） 人’ a 1I° A? ??W0 1IV II、振子位置物理量、AA—OOOtA'A^A'tOOOtA位移的方向位移的大小回復(fù)力的方向回復(fù)力的大小加速度的方向加速度的大小速度的方向速度的大小動能形變量彈性勢能（學(xué)生分析、分組討論，展示結(jié)論：①彈簧振子在振動過程中位移方向與回復(fù)力方向始終相反；②當(dāng)彈簧振子靠近平衡位置時回復(fù)力方向與速度方向相同，速度增大，在平衡位置速度最大，動能最大；遠(yuǎn)離平衡位置時回復(fù)力方向與速度方向相反速度減小，在振幅位置時速度為零，動能為零；③振子動能增大時，彈簧形變量減小，彈性勢能減小，到平衡位置動能最大，彈性勢能最小；反之動能減小時，彈性勢能增大，到振幅位置動能為零，彈性勢能最大；④在整個過程中，如果不考慮摩擦和空氣阻力，振動系統(tǒng)（振子、彈簧）的總機械能守恒；⑤在整個過程中，振子的運動情況關(guān)于平衡位置對稱。）以上的規(guī)律、能量特點，學(xué)生有可能答不完整，老師做適當(dāng)補充。小結(jié):實際上任何物體的振動都不可避免能量的損失，所以簡諧運動是一個理想化模型。問題2:每位同學(xué)應(yīng)用計時器，再次研究彈簧振子的運動，從對稱性、周期性角度看看有沒有什么新的發(fā)現(xiàn)？（學(xué)生回答：發(fā)現(xiàn)振子的運動情況關(guān)于平衡位置左右對稱；所以時間也是左右對稱，A-O、O^A^,A'-O、O^A的時間都是相等的，都為周期的四分之一。）老師引導(dǎo)、補充：其實除了看到物理量之間的關(guān)系外，我們結(jié)合剛才的分析和對運動周期性的理解，不難發(fā)現(xiàn)振子的運動情況關(guān)于平衡位置左右對稱，比如從A-O的情況與從A--O的情況是對稱的；由能量的守恒可以看出振子經(jīng)過同一個點時，動能相等，經(jīng)過關(guān)于平衡位置對稱的兩個點時，動能也相等即速率相等。問題3:請同學(xué)們思考：設(shè)某質(zhì)點做簡諧運動的振幅為A,那么在一個周期內(nèi)質(zhì)點通過的路程為多少？在半個周期內(nèi)質(zhì)點通過的路程為多少？在四分之一個周期內(nèi)質(zhì)點通過的路程又為多少？（學(xué)生討論回答：在一個周期內(nèi)質(zhì)點通過的路程為4A，在半個周期內(nèi)質(zhì)點通過的路程為2A,在四分之一個周期內(nèi)質(zhì)點通過的路程不確定。）老師點評：一個周期內(nèi)的路程很好確定，在半個周期內(nèi)的位移根據(jù)對稱性也很好理解為2A,那么在四分之一個周期內(nèi)質(zhì)點的位移怎么就不是A,而是不確定呢？其實仔細(xì)的同學(xué)在結(jié)合剛才對運動的分析表格中不難看到，越靠近平衡位置速度越大，越靠近振幅位置速度越小，如果所研究的四分之一周期剛好是從平衡位置到振幅位置，那么路程剛好為A,如果從平衡位置左側(cè)一些的位置到平衡位置右側(cè)一些的位置，即在四分之一周期內(nèi)經(jīng)過平衡位置，速度比較大，則路程會大于A,如果在四分之一周期內(nèi)會經(jīng)過振幅位置，那么速度比較小，則路程會小于A。問題4:對書本圖1-1-2中彈簧振子的簡諧運動，下列說法中正確的是（ ）A.振子在振動過程中，速率相同時，彈簧的長度一定相同B.振子從左端點向平衡位置運動的過程中，彈簧彈力始終做負(fù)功C.振子在振動過程中的回復(fù)力由彈簧的彈力提供D.振子在振動過程中，系統(tǒng)的機械能守恒問題5:一個質(zhì)點做簡諧運動，先后以相同的速率依次經(jīng)過A、B兩點，歷時1s,質(zhì)點通過B點后再經(jīng)過1s又第二次經(jīng)過B點。在這兩秒內(nèi)，質(zhì)點通過的總路程為12cm,則質(zhì)點的振動周期和振幅分別為多少？（通過本問題，讓學(xué)生體會對稱性，并理解半個周期質(zhì)點的運動情況及位置的特點）問題6:如圖所示，彈簧振子在振動過程中，振子從a到b歷時0.2s,振子經(jīng)a、b兩點時速度相同，若它從b再回到a的最短時間為0.4s,c、d為振動的最遠(yuǎn)點，則該振動頻率為（ ）A.1Hz B.1.25Hz 心； '：C.2Hz D.2.5Hz -+--. ,一二一一（通過本題，鞏固學(xué)生對周期性和對稱性的理 （；" '',, '解。）【課堂小結(jié)】問題1:做簡諧運動的物體的受力特點？

問題2：如何描述簡諧運動的快慢及振動強弱的?問題3:你是怎么理解簡諧運動的對稱性的?【板書設(shè)計】第一節(jié)簡諧運動一、機械振動二、簡諧運動的動力學(xué)特點：回復(fù)力：F=-kx振動方向的合力提供回復(fù)力（效果命名）三、描述振動的物理量1、描述振動快慢的物理量：周期（T）、頻率（f）2、對稱性、'=4A2、對稱性、'=4A、、艱子位置物理量AA—OOOtA'A^A'tOOOtA位移的方向位移的大小回復(fù)力的方向回復(fù)力的大小加速度的方向加速度的大小速度的方向速度的大小動能形變量彈性勢能四、簡諧運動中各物理量的變化及能量變化的特點1、簡諧運動中各物理量的變化周期性s=2A1T2S s=2A1T21T4課堂反饋1、下列屬于機械振動選擇完整的是 （ ）①乒乓球在地面上的來回上下運動；②彈簧振子在豎直方向的上下運動；③秋千在空中來回的運動；④豎于水面上的圓柱形玻璃瓶上下振動A、①②B、②③C、③④D、②③④2、關(guān)于簡諧運動回復(fù)力的說法正確的是 （ ）A、回復(fù)力F=-kx中的x是指振子相對于平衡位置的位移B、回復(fù)力F=-kx中的x是指振子從初位置指向末位置的位移C、振子的回復(fù)力一定就是它所受的合力D、振子的回復(fù)力一定是恒力3、關(guān)于簡諧運動的位移、速度、加速度的關(guān)系，下列說法中正確的是（ ）A、位移減小時，加速度增大，速度增大B、位移方向總跟加速度方向相反，跟速度方向相同C、物體運動方向指向平衡位置時，速度方向跟位移方向相反D、物體向平衡位置運動時，做加速運動，背離平衡位置時，做減速運動4、如圖所示，一個彈簧振子沿x軸在B、C間做簡諧運動，O諧運動，O為平衡位置，當(dāng)振子從B點向O點運動經(jīng)過BPO CxP點時振子的位移為，振子的回復(fù)力為，振子速度為 ，振子的加速度為 （填“正”“負(fù)”或“零”）5、一彈簧振子做簡諧運動，周期為T，下述正確的是 （ ）A、若t時刻和“+△t）時刻振子對平衡位置的位移大小相等，方向相同，則△一定等于T的整數(shù)倍TB、若t時刻和“+△t）時刻振子運動速度大小相等，方向相反，則^t一定等于3的整數(shù)倍._TC、若△t=^，則在t時刻和“+△t）時刻的時間內(nèi)振子的位移可能大于振幅，可能等于振幅，可能小于振幅T口、若41=萬，則在t時刻和“+△t）時刻振子的速度大小一定相等6、如圖所示，質(zhì)量為m的木塊放在彈簧上，與彈簧一起在豎直方向上做簡諧運動。當(dāng)振幅為A時，物體對彈簧的最大壓力是物體重力的1.5倍，則物體對彈簧的最小彈力是多大？要使物體在振動中不離開彈簧，振幅不能超過多大?參考答案:mg1、D2、A3、CD4、負(fù)負(fù)正正5、CD6、Fmin1、D2、A3、CD4、負(fù)負(fù)正正課后測評1、A、1、A、C、有一彈簧振子做簡諧運動，則（加速度最大時，速度最大位移最大時，回復(fù)力最大)B、D、速度最大時，位移最大回復(fù)力最大時，速度最大2、關(guān)于做簡諧運動的物體完成一次全振動的意義有以下說法，其中正確的是（）A、回復(fù)力第一次恢復(fù)原來的大小和方向所經(jīng)歷的過程B、速度第一次恢復(fù)原來的大小和方向所經(jīng)歷的過程C、動能或勢能第一次恢復(fù)原來的大小和方向所經(jīng)歷的過程D、速度和加速度第一次同時恢復(fù)原來的大小和方向所經(jīng)歷的過程3、一質(zhì)點做簡諧運動，先后以相同的動量通過A、B兩點，歷時1s.質(zhì)點B點后再經(jīng)過1s又第二次通過B點，這2s內(nèi)質(zhì)點的總