《第3节单摆》教学设计(福建省县级优课)-物理教案

《单摆》教学设计福建省福安市第一中学蔡嫦芳一、教学分析1、教材的地位与作用《单摆》是高中物理鲁科版选修3-4第1章第3节内容。本节内容安排在《振动的描述》之后，属于简谐运动的应用实例，它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。

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、学情分析经过近两年的高中学习，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。在知识能力方面，高二学生已经掌握了简谐运动的相关知识，对摆动的物体也有一定认识并且能够熟练运用控制变量法进行实验。但是由于本节课结合了数学知识，涉及到小角度的近似处理，这在高中物理学习中是第一次出现，学生对这样的处理感觉有困难。3、设计思想本节设计的内容有：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与什么因素有关，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。二、教学目标知识目标

：1.知道什么是单摆；

2.理解摆角很小时单摆的振动是简谐运动；

3.知道单摆周期的影响因素，掌握单摆的周期公式，并能用来解决相关问题。

能力目标：1.通过单摆的教学，知道单摆是一种理想化的模型，学会用理想化的方法建立物理模型；2.通过推导单摆回复力的表达式，掌握用小角近似处理问题的方法；3.通过自主探究单摆周期的影响因素，掌握用控制变量的方法来研究物理问题.；4.培养学生的观察实验能力、思维能力。情感态度与价值观：1.认识实验的重要性，体会实验是检验真理的唯一标准；2.激发学生的求知欲望，在探索规律的过程中体验成功的喜悦；3.通过实验培养学生实事求是的科学态度和科学精神。教学重点重点：单摆振动的特点依据：单摆振动是具体的简谐运动的应用实例，分析简谐运动也就是分析质点在运动过程中的振幅、周期、位移、频率、能量等一些物理量的特点，通过对单摆运动特点的分析、理解，学生对简谐运动的特点理解会更加深刻。四、教学难点难点：单摆的回复力以及对小角度的近似处理。依据：在分析具体的简谐运动时学生往往不能正确的分析出回复力的来源，有的学生即使能够分析出回复力的来源，也不知如何导出的形式，给解决问题带来了困难，因此将这个问题设置为难点。教法与学法主要采用教师实验演示和学生小组探究的教学方法，并辅以问题激学、教师讲授、师生共同合作等教学方法。教学用具单摆、铁架台、刻度尺、秒表、幻灯片、多媒体教学设备。教学过程（一）引入新课前面我们学习了弹簧振子，知道了简谐运动的特点。在日常生活中，我们还常常看见摆钟、秋千都在竖直平面内做摆动（<课件展示>：摆钟、秋千等在竖直平面内做摆动），这些摆动是属于一种什么样的运动呢？今天我们来学习最简单的摆动——单摆的运动。（设计目的：为了激发学生的学习兴趣，为本节课埋下伏笔。）（二）进行新课板书：1.3单摆1、单摆模型（1）单摆：一根不可伸长的细绳，一端固定，另一端与小球相连，如果细线的质量与小球相比可以忽略，求的直径与线的长度相比可以忽略，忽略空气阻力的影响，这样的装置叫单摆。教师活动：由学生阅读教材，得出单摆的定义。教师对定义进行补充说明。（设计目的：培养学生自学能力，加深对单摆概念的理解。）教师活动：这样的装置在生活中存在吗？（设计目的：（1）使学生意识到这样的装置在现实生活中不存在，是一种理想化模型；（2）单摆是实际摆的理想化模型；（3）判断下列模型是否属于单摆模型。）教师活动：展示几幅图片，让学生判断是否属于单摆模型。（设计目的：使学生更加明确什么是单摆。）2、单摆的运动教师活动：单摆在做振动，这种振动是不是简谐运动呢？需要我们证明，有几种方法？学生：回答两种，图象法和公式法（设计目的：针对两种证明方法展开教学）(1)画单摆的x-t图象播放演示实验视频，画出单摆的x-t图象，与正弦曲线十分相似教师活动：既然图象与正弦曲线十分相似，那单摆的运动就有可能是简谐运动，那到底是不是？如果我们得到的图像很准确，我们可以去做拟合曲线，得到图像如果严格满足正弦规律，说明就是。但这个对实验要求比较高，如果不是匀速拉动也会得不到正弦曲线的。下面我们从另一个角度去做一个判断，我们从力的特征用公式法去证明单摆的振动是不是简谐运动。教师活动：凡是振动都需要回复力，那单摆的回复力是什么力呢？（设计目的：学生明白接下来要寻找回复力。）(2)单摆的回复力分析①确定平衡位置F′GOAA′GF′LθF′GOAA′GF′LθG1G2②实验演示单摆的振动，分析回复力教师活动：提问单摆在振动过程中受到哪些力作用？生：答教师活动：教师由学生的回答板书单摆受力分析图教师活动：摆球做圆周运动的向心力由谁来提供？摆球做机械振动的回复力由谁来提供？学生讨论后让学生回答。教师活动：单摆振动时在竖直平面内做变速圆周运动，重力和拉力的合力产生两种效果：一是使小球做圆周运动，速度大小发生变化，这个效果力称为向心力。二是使小球总是有回到平衡位置的趋势，这个效果力就是我们说的回复力，因而单摆做变速圆周运动的回复力就是合力在切线方向的分力，这个分力也是重力沿切线方向的分力。教师活动：板书F=F2=mgsinθ教师活动：由单摆的回复力的表达式能否看出单摆的振动是简谐运动呢？请同学们回忆一下简谐运动回复力的特点。生：物体所受回复力的大小与位移大小成正比，并且总是指向平衡位置。表达式为：F=-kx。教师活动：书上已给出了具体的推导过程，其中用到了两个近似：(1)sinα≈α；(2)在小角度下OP直线与OP弧线近似相等。这两个近似成立的条件是摆角很小，α＜10°。角度12345678弧度m0.01750.03490.05230.06990.08730.10470.12220.1386Sinθ0.01750.03490.05230.06980.08720.10450.12190.1392由上表我们可知α在5°之内，并且以弧度为角度单位，sinα≈α。教师活动：在这个基础上，接下来请大家导出回复力与位移的关系。（3）关于单摆做简谐运动的条件①推导：在摆角很小时，sinθ≈α≈又回复力Ｆ＝mgsinθＦ＝-mg·（ｘ表示摆球偏离平衡位置的位移，l表示单摆的摆长）②师生分析得到：在摆角θ很小时，回复力的方向与摆球偏离平衡位置的位移方向相反，大小成正比，单摆做简谐运动。④总结：从实际得到的图象和理论上中均可看出：在摆角很小的情况下，考虑实验观察的方便，认为在α＜10°时，单摆做简谐运动。3、单摆的周期（1）定性分析教师活动：我们知道了单摆振动是简谐振动，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？<分组实验>在铁架台上固定单摆，按照以下几种情况，把单摆拉起一定角度后释放，记录单摆的振动周期。①两摆的振幅不同（都在小偏角下）②两摆的质量不同③两摆的摆长不同教师活动：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：通过分组实验比较单摆在不同的条件下的周期大小，学生通过实验察进而得出实验结论。培养学生的动手操作能力和分析能力。）<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>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。表2：探究单摆周期与摆长的关系实验表格摆长l/m0.30000.40000.50000.60000.70000.80000.90001.00001.10001.2000周期T/s[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T2与L的图线完全拟合。表明单摆的周期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