《单摆》教学设计

《单摆》教学设计【教学内容】人教版2010年4月第3版《普通高中课程标准实验教科书·物理选修3—4》第十一章《机械振动》中第4节“单摆”。【教学分析】1.教材分析单摆的振动是简谐运动的重要特例，教材中安排这节内容，不仅使学生了解一种典型的简谐运动，而且也对前面所学的简谐运动概念起到加深理解和巩固的作用。本节教材首先给出一个理想模型——单摆，结合生活经验与之前学习的知识，引导学生体验、判断单摆的运动是不是简谐运动，然后通过演示实验及其理论的分析得出单摆在摆角很小时的振动属于简谐运动；后又要求用实验方法定性分析单摆的周期及用单摆测量重力加速度。教学中涉及到了较多的物理思想方法，如理想模型法、近似法、图像法、控制变量法等，是高中物理的重要内容之一。这样使教材的容量变大，研究方法增多，对教师驾驭教材的能力提出了较高要求。本节教材的重点是引导学生通过实验，研究和探索物理规律，使学生在理解和掌握物理规律的同时，充分认识物理学是一门实验科学，提高实验操作和研究能力。2．学情分析（1）思维基础学生已经初步有了探究事物的一般方法，即“是什么？──怎么样？──为什么？”的思维方法。根据新课程重视“过程与方法”的教学理念和高二学生由直观认识向逻辑推理、实验推理过渡阶段的认识特点，本设计中就通过创设问题情景，激励学生自己提出想要研究的问题。（2）心理特点依据高中生求异思维很活跃的特点，通过实验和多媒体手段满足学生渴望获取新知识的需求学生在强烈兴趣（名人事迹引入）的驱使下，利用已有知识进行新规律的探究，既有挑战性，也有成就感。（3）已有知识学生对机械振动的初步了解。在上这节课之前，通过前几节内容的学习，学生知道了简谐振动的特点，通过生活中一种常见的模型——单摆，探究它的运动情况如何，从而萌发了学生继续探究的兴趣。（4）学生学习本课可能遇到的困难和问题正确的理论分析单摆的振动是否满足简谐运动的条件，通过实验定性定量分析单摆周期与摆长的关系，以及用单摆测量重力加速度时的实验方法和操作所带来的问题。【设计思想】本节设计的内容有四：一是认识物理模型——单摆，二是判断单摆的振动是不是简谐振动，三是探究单摆的周期于什么因素有关，四是学会运用单摆测定重力加速度的方法。现代教育理论认为，学生的学习过程实际上是一个以学生为认知主体，以学习内容为对象与周围环境相互作用，学生在原有知识基础上建构新知识从而达到学习目的的过程。依据新课程“以人为本”的理念和本节教学目标要求，在整个教学过程中突出学生体验探究的主体地位。教学中遵循教师的启发、引导、总结和学生的自主探究的体验实践，由易到难、由特殊到一般的分层推进的认知规律，让学生比较容易接受，从而突破难点内容和突出重点内容。教学中的创设物理情景，创设物理气氛，可使学生有身临其境之感以增强学生的感性认识；总结归纳与严格的数学推导以体现物理的严谨；以规律的运用体现物理的实用性。同时利于培养学生的观察、分析、归纳问题的能力和利用数学进行演绎推理的能力。【课时】2课时【教学目标】（一）知识与技能1、知道单摆的构造以及单摆是一种理想模型。2、掌握单摆的回复力是重力沿切线方向的分力。3、理解单摆在偏角很小时可以近似地做简谐运动。4、知道单摆振动的特点及周期公式。5、学会运用单摆测重力加速度。（二）过程与方法1、通过观察演示实验，从注射器所画出的图像判断单摆振动情况。2、通过对摆球的受力分析，掌握力按作用效果分的方法。3、通过理论分析，单摆所受力满足简谐运动所受回复力特点。4、采用控制变量研究问题的方法。（三）情感、态度与价值观1、培养学生发现和提出问题，并利用已有知识探索学习新知识的能力。2、通过教学过程中各个教学环节的设计，如：观察、实验等，充分调动学生的积极性，激发学生的学习兴趣。3、对学生进行实事求是的科学思想熏陶。【教学重点】1、单摆振动的回复力。2、单摆的偏解很小时满足简谐运动的条件3、通过定性分析、实验、数据分析得出单摆周期公式【教学难点】1、单摆振动的回复力2、用单摆测重力加速度【教学思路】总体教学流程如下表：【教法和策略】通过生活中的一些摆动事例，使学生弄清楚单摆的摆动是一种什么样的运动，这种运动有什么特点。将教师的讲解与学生的活动相结合，将演示实验定性探究与理论分析推理相结合，自主探究与交流讨论相结合，体现教学和学习方式的多样化。【教学准备】自制PPT课件、小球、细线以及支架、秒表、注射器、白纸、米尺等。【教学过程】一、提问夯基1、课件投影思考提问：（1）本章中我们学习了机械振动，什么是机械振动？什么是简谐振动？（2）简谐振动的条件是什么？（3）简谐振动的图像是什么？（设计目的：为单摆的探究学习打下一个坚实的基础。）二、新课导入创境激意2、播放视频一个人在教堂观察灯的摆动画面。询问学生认识这个人吗？他是意大利著名的物理学家伽利略，一次在教堂中偶然地观察到摇摆不定的灯，伽利略沉浸在思索中……伽利略观察到什么现象呢？（设计目的：为了激发学生的学习兴趣，为本节课埋下伏笔。）三、体验实践，增强认识1、单摆模型单摆模型解说（图1所示）（1）由学生讨论后总结出单摆的构造：一根不可伸长的细线下面悬挂一个密度大的小球就组成了单摆。（2）拿出单摆，请学生仔细观察并总结单摆的特点。（设计目的：通过学生自己阅读理解的单摆与实验中的单摆对比，是学生经历一个感性认识过程，从而更好的去认识单摆。）四、引导探究，层层递进1、探究单摆振动特征（1）[提出问题]我们认识了单摆，那么单摆振动是不是简谐运动呢？（2）[进行猜想]组织引导学生猜想讨论。（3）[设计实验]组织学生讨论、归纳，确定设计思想，制定计划：演示实验1教材P13，细线下悬挂一个除去了柱塞的注射器，注射器向下喷出一束细细的墨水。沿着摆动方向匀速拖动一种白纸，白纸上的墨迹便画出振动图像。（4）[实验结论]实验所绘制的图像为正弦函数图像，从而可判断单摆的振动属于简谐振动。（设计目的：一是培养学生动手能力；二是提高学生学习兴趣；三是借助实验所绘图像来判断单摆振动情况。）2、理论分析单摆振动特征取小球振动中的任意一个位置，此时偏角为θ（1）[提出问题]小球受哪几个力作用？图1画小球的受力分析图引导学生思考：两力不在一条直线上，应该怎么处理呢？（2）[理论推导]径向：切向：F回===θmg图2=F回方向与x方向相反，F即为回复力满足简谐运动条件。表1、多媒体展示正弦与角度弧度制的大小关系角度12345Sina0.017450.03490.05320.06980.0872A0.017450.03490.05320.06990.0873（3）[总结]当θ≤5°时，单摆的振动可近似为简谐运动（4）[强调]其中用到了两个近似：(1)sinθ≈θ；(2)在小角度下位移直线与弧线近似相等。这两个近似成立的条件是摆角很小，θ≤5°。3、单摆的周期（1）、定性分析[提出问题]我们知道了单摆振动时简谐振动，那么单摆振动的周期与什么因素有关呢？[进行猜想]引导学生猜想：单摆的质量、振幅、摆长对周期各有什么影响？演示实验2教材P15图11.4-4。单摆的振幅、质量、摆长对周期各有什么影响？在铁架台上固定两个单摆，按照以下几种情况，把它们拉起一定角度后同时释放，观察两摆的振动周期。①两摆的振幅不同（都在小偏角下）②两摆的质量不同③两摆的摆长不同[提出问题]比较三种情况下两摆的周期，可以得出什么结论？[实验表明]单摆振动的周期与摆球质量无关，在振幅较小时与振幅无关，但与摆长有关，摆长越长，周期也越长。（设计目的：通过演示实验比较两个单摆在不同的条件下的周期大小，学生通过观察进而得出实验结论。培养学生的观察能力和总结能力。）进一步思考单摆周期与摆长之间有什么定量的关系呢？（2）、定量探究[设计实验]根据所给器材组织学生设计并实验：测量在不同摆长的单摆的周期学生实验教材P15，细线上端固定在铁架台上，下端系一个小钢球，于是做成了一个单摆。测量摆长和摆的周期，得到一组数据。改变摆长，再得到几组数据。将实验数据输入计算机，运用“几何画板”软件描点作图。表2：探究单摆周期与摆长的关系实验表格摆长l/m10.90.80.70.60.5周期T/s[实验竞赛]为了更好更快的完成实验，将学生分成多组，让其中一组到讲台上去做，让讲台上的同学和下面同学构成实验竞赛。（设计目的：一是为营造学生自我探究的环境，激发学生的探究兴趣；二是这样在课堂中恰当运用竞赛与激励评价，可以大大激发学生学习热情。）[实验结果]通过将数据输入计算机，根据所制的图调整函数，发现周期T与T的图线完全拟合。表面单摆的周期T与成正比。[知识拓展]介绍荷兰物理学家、天文学家、数学家惠更斯的研究成果：单摆做简谐运动的周期T与成正比，与成反比，而与摆球质量、振幅无关。[周期公式]介绍单摆的周期公式（设计目的：指导学生通过实验进行科学探究，学会“实验采集数据”，并借助计算机当堂处理实验中得到的数据，“分析验证”。再通过了解物理学史——单摆周期的发现过程，拓展学生知识面。）五、应用扩展[提出问题]怎样利用单摆测出当地的重力加速度？[思考讨论]学生按前后桌四人分组讨论，介绍测量方法。学生实验学生动手做实验：①做单摆：取约1米长的线绳穿过带孔的小钢球，并打一个比小孔大一些的结，然后拴在桌边的支架上。②用米尺量出摆线长，准确到毫米，用游标卡尺测摆球直径。③把单摆从平衡位置拉开一个角度放开它，使之在同一竖直平面内做简谐运动，用秒表测量单摆完成（30～50次）全振动所用时间。④把测得的物理量的数值代入测量式，求出重力加速度的值。⑤变更摆长，重做几次实验，最后求出重力加速度的平均值。[数据处理]引导学生分析处理实验数据的方法有哪些，这个实验可以用哪些方法处理？怎么处理？哪种方法好些？（突出图像法的优点。）（设计目的：鼓励学生进一步思考，要求学生操作规范、精确。掌握实验数据处理的方法和思路。突出图像法的优点。）六、例题导学投影展示例1、一个理想的单摆，已知其周期为T。如果重力加速度变为原来的1/2，振幅变为原来的1/3，摆长变为原来的1/4，摆球质量变为原来的1/5，它的周期变为多少？〖解答〗：〖解后总结〗能对单摆周期公式熟练掌握和应用。【归纳小结】（1）认识了单摆模型，知道它是一种理想模型。（2）知道单摆回复力的来源。（3）知道单摆是一种简谐振动。（4）单摆周期的公式。（5）会运用单摆测定重力加速度的方法【板书设计】板书：第四节单摆一、单摆模型（理想模型）1、悬线应长、轻，且为刚性2、小球应小而重二、单摆的振动特征1、振动图像为正弦函数：2、单摆回复力F=满足F=-kx三、单摆的周期四、用单摆测重力加速度【课后思考】1、操场上学生荡秋千的运动是简谐运动吗？2、教材P17思考与练习1、3题。【书面作业】完成教材P17思考与练习”2、4题。【设计说明】1、本节课充分尊重学生自主学习的过程，即以归纳、概括为主的思维过程。它不是机械地重复历史中的“原始创造”，而是根据学生自己的体验，用他们自己的思维方式，重新建构有关物理知识，即学生的“再创造”过程。这对学习物理来说是非常有意义的。2、本节课充分重视演示实验和学生的自我探究，以加强学生的自我体验，从而帮助学生自主建构知识。虽然学生的探究过程看上去不如教师讲解来得快捷和省时，但对学生深刻理解大有裨益。此外，通过本节学习，学生收获的不仅仅是学习了单摆的有关知识，更主要的是学习了探究规律的一种方法。3、本节课充分理顺知识逻辑关系，为学生的学习铺设台阶。要做到“知识序、教学序、认知序”三序合一，理顺知识序是前提。本节课的教学认识单摆，到单摆的振动情况分析，再到影响单摆振动周期的因素的探究，逐次开展。最后将知识运用——测重力加速度。此外，教师演示实验是学生实验的基础，教师在做演示实验时对实验原理和实验操作的讲解，其实都是对学生接下来的实验的指导。因此，这就易使学生在教学中得以拾阶而上，收获知识、获得成功体验。【教学小结】在学习了简谐振动之后，我们紧接着又学习了简谐振动的一个特例——单摆。在这一节的教学中，首先让学生能够准