《第3節(jié)單擺》教學(xué)設(shè)計(福建省縣級優(yōu)課)-物理教案

《單擺》教學(xué)設(shè)計福建省福安市第一中學(xué)蔡嫦芳一、教學(xué)分析1、教材的地位與作用《單擺》是高中物理魯科版選修3-4第1章第3節(jié)內(nèi)容。本節(jié)內(nèi)容安排在《振動的描述》之后，屬于簡諧運動的應(yīng)用實例，它不僅使學(xué)生了解一種典型的簡諧運動，而且也對前面所學(xué)的簡諧運動概念起到加深理解和鞏固的作用。本節(jié)教材首先給出一個理想模型——單擺，結(jié)合生活經(jīng)驗與之前學(xué)習(xí)的知識，引導(dǎo)學(xué)生體驗、判斷單擺的運動是不是簡諧運動，然后通過演示實驗及其理論的分析得出單擺在擺角很小時的振動屬于簡諧運動；后又要求用實驗方法定性分析單擺的周期及用單擺測量重力加速度。教學(xué)中涉及到了較多的物理思想方法，如理想模型法、近似法、圖像法、控制變量法等，是高中物理的重要內(nèi)容之一。這樣使教材的容量變大，研究方法增多。

本節(jié)教材的重點是引導(dǎo)學(xué)生通過實驗，研究和探索物理規(guī)律，使學(xué)生在理解和掌握物理規(guī)律的同時，充分認(rèn)識物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，提高實驗操作和研究能力。2、學(xué)情分析經(jīng)過近兩年的高中學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)初步有了探究事物的一般方法，即“是什么？──怎么樣？──為什么？”的思維方法。在知識能力方面，高二學(xué)生已經(jīng)掌握了簡諧運動的相關(guān)知識，對擺動的物體也有一定認(rèn)識并且能夠熟練運用控制變量法進行實驗。但是由于本節(jié)課結(jié)合了數(shù)學(xué)知識，涉及到小角度的近似處理，這在高中物理學(xué)習(xí)中是第一次出現(xiàn)，學(xué)生對這樣的處理感覺有困難。3、設(shè)計思想本節(jié)設(shè)計的內(nèi)容有：一是認(rèn)識物理模型——單擺，二是判斷單擺的振動是不是簡諧振動，三是探究單擺的周期與什么因素有關(guān)，四是學(xué)會運用單擺測定重力加速度的方法。現(xiàn)代教育理論認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程實際上是一個以學(xué)生為認(rèn)知主體，以學(xué)習(xí)內(nèi)容為對象與周圍環(huán)境相互作用，學(xué)生在原有知識基礎(chǔ)上建構(gòu)新知識從而達到學(xué)習(xí)目的的過程。依據(jù)新課程“以人為本”的理念和本節(jié)教學(xué)目標(biāo)要求，在整個教學(xué)過程中突出學(xué)生體驗探究的主體地位。教學(xué)中遵循教師的啟發(fā)、引導(dǎo)、總結(jié)和學(xué)生的自主探究的體驗實踐，由易到難、由特殊到一般的分層推進的認(rèn)知規(guī)律，讓學(xué)生比較容易接受，從而突破難點內(nèi)容和突出重點內(nèi)容。教學(xué)中的創(chuàng)設(shè)物理情景，創(chuàng)設(shè)物理氣氛，可使學(xué)生有身臨其境之感以增強學(xué)生的感性認(rèn)識；總結(jié)歸納與嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)以體現(xiàn)物理的嚴(yán)謹(jǐn)；以規(guī)律的運用體現(xiàn)物理的實用性。同時利于培養(yǎng)學(xué)生的觀察、分析、歸納問題的能力和利用數(shù)學(xué)進行演繹推理的能力。二、教學(xué)目標(biāo)知識目標(biāo)

：1.知道什么是單擺；

2.理解擺角很小時單擺的振動是簡諧運動；

3.知道單擺周期的影響因素，掌握單擺的周期公式，并能用來解決相關(guān)問題。

能力目標(biāo)：1.通過單擺的教學(xué)，知道單擺是一種理想化的模型，學(xué)會用理想化的方法建立物理模型；2.通過推導(dǎo)單擺回復(fù)力的表達式，掌握用小角近似處理問題的方法；3.通過自主探究單擺周期的影響因素，掌握用控制變量的方法來研究物理問題.；4.培養(yǎng)學(xué)生的觀察實驗?zāi)芰Α⑺季S能力。情感態(tài)度與價值觀：1.認(rèn)識實驗的重要性，體會實驗是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)；2.激發(fā)學(xué)生的求知欲望，在探索規(guī)律的過程中體驗成功的喜悅；3.通過實驗培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神。教學(xué)重點重點：單擺振動的特點依據(jù)：單擺振動是具體的簡諧運動的應(yīng)用實例，分析簡諧運動也就是分析質(zhì)點在運動過程中的振幅、周期、位移、頻率、能量等一些物理量的特點，通過對單擺運動特點的分析、理解，學(xué)生對簡諧運動的特點理解會更加深刻。四、教學(xué)難點難點：單擺的回復(fù)力以及對小角度的近似處理。依據(jù)：在分析具體的簡諧運動時學(xué)生往往不能正確的分析出回復(fù)力的來源，有的學(xué)生即使能夠分析出回復(fù)力的來源，也不知如何導(dǎo)出的形式，給解決問題帶來了困難，因此將這個問題設(shè)置為難點。教法與學(xué)法主要采用教師實驗演示和學(xué)生小組探究的教學(xué)方法，并輔以問題激學(xué)、教師講授、師生共同合作等教學(xué)方法。教學(xué)用具單擺、鐵架臺、刻度尺、秒表、幻燈片、多媒體教學(xué)設(shè)備。教學(xué)過程（一）引入新課前面我們學(xué)習(xí)了彈簧振子，知道了簡諧運動的特點。在日常生活中，我們還常常看見擺鐘、秋千都在豎直平面內(nèi)做擺動（<課件展示>：擺鐘、秋千等在豎直平面內(nèi)做擺動），這些擺動是屬于一種什么樣的運動呢？今天我們來學(xué)習(xí)最簡單的擺動——單擺的運動。（設(shè)計目的：為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為本節(jié)課埋下伏筆。）（二）進行新課板書：1.3單擺1、單擺模型（1）單擺：一根不可伸長的細繩，一端固定，另一端與小球相連，如果細線的質(zhì)量與小球相比可以忽略，求的直徑與線的長度相比可以忽略，忽略空氣阻力的影響，這樣的裝置叫單擺。教師活動：由學(xué)生閱讀教材，得出單擺的定義。教師對定義進行補充說明。（設(shè)計目的：培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力，加深對單擺概念的理解。）教師活動：這樣的裝置在生活中存在嗎？（設(shè)計目的：（1）使學(xué)生意識到這樣的裝置在現(xiàn)實生活中不存在，是一種理想化模型；（2）單擺是實際擺的理想化模型；（3）判斷下列模型是否屬于單擺模型。）教師活動：展示幾幅圖片，讓學(xué)生判斷是否屬于單擺模型。（設(shè)計目的：使學(xué)生更加明確什么是單擺。）2、單擺的運動教師活動：單擺在做振動，這種振動是不是簡諧運動呢？需要我們證明，有幾種方法？學(xué)生：回答兩種，圖象法和公式法（設(shè)計目的：針對兩種證明方法展開教學(xué)）(1)畫單擺的x-t圖象播放演示實驗視頻，畫出單擺的x-t圖象，與正弦曲線十分相似教師活動：既然圖象與正弦曲線十分相似，那單擺的運動就有可能是簡諧運動，那到底是不是？如果我們得到的圖像很準(zhǔn)確，我們可以去做擬合曲線，得到圖像如果嚴(yán)格滿足正弦規(guī)律，說明就是。但這個對實驗要求比較高，如果不是勻速拉動也會得不到正弦曲線的。下面我們從另一個角度去做一個判斷，我們從力的特征用公式法去證明單擺的振動是不是簡諧運動。教師活動：凡是振動都需要回復(fù)力，那單擺的回復(fù)力是什么力呢？（設(shè)計目的：學(xué)生明白接下來要尋找回復(fù)力。）(2)單擺的回復(fù)力分析①確定平衡位置F′GOAA′GF′LθF′GOAA′GF′LθG1G2②實驗演示單擺的振動，分析回復(fù)力教師活動：提問單擺在振動過程中受到哪些力作用？生：答教師活動：教師由學(xué)生的回答板書單擺受力分析圖教師活動：擺球做圓周運動的向心力由誰來提供？擺球做機械振動的回復(fù)力由誰來提供？學(xué)生討論后讓學(xué)生回答。教師活動：單擺振動時在豎直平面內(nèi)做變速圓周運動，重力和拉力的合力產(chǎn)生兩種效果：一是使小球做圓周運動，速度大小發(fā)生變化，這個效果力稱為向心力。二是使小球總是有回到平衡位置的趨勢，這個效果力就是我們說的回復(fù)力，因而單擺做變速圓周運動的回復(fù)力就是合力在切線方向的分力，這個分力也是重力沿切線方向的分力。教師活動：板書F=F2=mgsinθ教師活動：由單擺的回復(fù)力的表達式能否看出單擺的振動是簡諧運動呢？請同學(xué)們回憶一下簡諧運動回復(fù)力的特點。生：物體所受回復(fù)力的大小與位移大小成正比，并且總是指向平衡位置。表達式為：F=-kx。教師活動：書上已給出了具體的推導(dǎo)過程，其中用到了兩個近似：(1)sinα≈α；(2)在小角度下OP直線與OP弧線近似相等。這兩個近似成立的條件是擺角很小，α＜10°。角度12345678弧度m0.01750.03490.05230.06990.08730.10470.12220.1386Sinθ0.01750.03490.05230.06980.08720.10450.12190.1392由上表我們可知α在5°之內(nèi)，并且以弧度為角度單位，sinα≈α。教師活動：在這個基礎(chǔ)上，接下來請大家導(dǎo)出回復(fù)力與位移的關(guān)系。（3）關(guān)于單擺做簡諧運動的條件①推導(dǎo)：在擺角很小時，sinθ≈α≈又回復(fù)力Ｆ＝mgsinθＦ＝-mg·（ｘ表示擺球偏離平衡位置的位移，l表示單擺的擺長）②師生分析得到：在擺角θ很小時，回復(fù)力的方向與擺球偏離平衡位置的位移方向相反，大小成正比，單擺做簡諧運動。④總結(jié)：從實際得到的圖象和理論上中均可看出：在擺角很小的情況下，考慮實驗觀察的方便，認(rèn)為在α＜10°時，單擺做簡諧運動。3、單擺的周期（1）定性分析教師活動：我們知道了單擺振動是簡諧振動，那么單擺振動的周期與什么因素有關(guān)呢？[進行猜想]引導(dǎo)學(xué)生猜想：單擺的質(zhì)量、振幅、擺長對周期各有什么影響？<分組實驗>在鐵架臺上固定單擺，按照以下幾種情況，把單擺拉起一定角度后釋放，記錄單擺的振動周期。①兩擺的振幅不同（都在小偏角下）②兩擺的質(zhì)量不同③兩擺的擺長不同教師活動：比較三種情況下兩擺的周期，可以得出什么結(jié)論？[實驗表明]單擺振動的周期與擺球質(zhì)量無關(guān)，在振幅較小時與振幅無關(guān)，但與擺長有關(guān)，擺長越長，周期也越長。（設(shè)計目的：通過分組實驗比較單擺在不同的條件下的周期大小，學(xué)生通過實驗察進而得出實驗結(jié)論。培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力和分析能力。）<進一步思考>單擺周期與擺長之間有什么定量的關(guān)系呢？（2）定量探究[設(shè)計實驗]根據(jù)所給器材組織學(xué)生設(shè)計并實驗：測量在不同擺長的單擺的周期<學(xué)生實驗>細線上端固定在鐵架臺上，下端系一個小鋼球，于是做成了一個單擺。測量擺長和擺的周期，得到一組數(shù)據(jù)。改變擺長，再得到幾組數(shù)據(jù)。表2：探究單擺周期與擺長的關(guān)系實驗表格擺長l/m0.30000.40000.50000.60000.70000.80000.90001.00001.10001.2000周期T/s[實驗結(jié)果]通過將數(shù)據(jù)輸入計算機，根據(jù)所制的圖調(diào)整函數(shù)，發(fā)現(xiàn)周期T2與L的圖線完全擬合。表明單擺的周期T與成正比。[知識拓展]介紹荷蘭物理學(xué)家、天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家惠更斯的研究成果：單擺做簡諧運動的周期T與成正比，與成反比，而與擺球質(zhì)量、振幅無關(guān)。[周期公式]介紹單擺的周期公式（設(shè)計目的：指導(dǎo)學(xué)生通過實驗進行科學(xué)探究，學(xué)會“實驗