高中物理 选修一《机械振动》大单元教学设计

2022年安徽省普通高中

新课程新教材优质课评选

物理学科团体比赛

大单元教学设计

《机械振动》

人教版高中物理新教材选择性必修一第二章

《机械振动》

单元教学设计

一、单元基本信息

L学科：物理

2.实施年级：高二

3.课程标准模块：高中物理选择性必修：1.2机械振动与机械波

4.教材章节：入教版高中物理新教材选择性必修一第二章

5.单元名称：机械振动

6.单元课时：6课时

二、单元教学规划

1.单元名称：机械振动

2.单元概述：

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》中“机械振动”属于课

程内容选择性必修课程中“机械振动与机械波”主题之下。选择“机械振动”这个主

题，有以下几个方面的考虑：

(1)“机械振动”是物体在变力作用下的运动。而变力作用下的运动，学

生很少接触。“机械振动”是认识“机械波”的基础，机械波则是机械振动在

介质中的传播。知道什么是机械振动，知道了描述振动的基本物理量，了解振

动的相，也就有了学习“波动”的必备知识。从这个角度来说，“机械振动”

又是学习本模块十分重要的基础。通过学习机械振动，认识到运动的多样性、

复杂性及运动描述的统一性，可以丰富学生的运动观。机械振动是圆周运动的

进阶，也是运动与相互作用观念的进阶。

(2)"机械振动”单元的教学按照学生学习动力学部分的顺序从运动学、动

力学、能量角度不断深入展开，是学生基于学科大概念来研究一个未知运动的

过程中自然而然地建立起本单元的新概念。

(3)单元内容与生活联系紧密，有利于融入真实情境创设系列任务，单元

主题渗透运动与相互作用、能量观等物理观念的同时，更注重学习中科学思维

能力的培养，使学生掌握分析方法，进而应用所学方法自主进行研究。

本单元在学生初步形成的运动与相互作用观念和能量观念的基础上，引导

学生通过研究机械振动拓展对物理世界的认识和理解。通过创设学生感兴趣的

问题情境，引导学生运用已有的概念和规律分析常见的机械振动现象，先从动

力学的角度建立一维的弹簧振子模型描述简谐运动的几个相互联系的物理概

念，随后从能量与相互作用观的角度建立简谐运动中的回复力概念，探究回复

力特点，再过渡到二维的单摆模型，深入认识简谐运动及其规律，最后从迁移

运用的角度由理想模型走进现实情境对更复杂的现象进行分析、解释。

在本单元构建弹簧振子、单摆模型，研究单摆运动等实验过程中，进一步

领会守恒思想，提高建模能力，引导学生从相互作用和能量的角度认识机械振

动，了解机械振动的特征，为深入学习和研究电磁波打好基础。整个单元的逻

辑线索一以贯之，重视物理观念的形成过程，从不同的角度用图像和公式描述

简谐运动则突出了对学生科学思维和科学探究素养的培养，而生活中机械振动

案例的分析和讨论则进一步提升了学生迁移运用知识的能力。

3.课程标准要求：

课程标准针对本单元的学习内容提出了三方面的要求：

(1)知识层面，要求认识简谐运动的特征。知道单摆周期与摆长、重力加

速度的关系。

(2)能力层面，要求能用公式和图像描述简谐运动。会用单摆测量重力加

速度的大小。

(3)实验探究方面，要求通过实验，认识简谐运动的特征。通过实验探究

单摆的周期与摆长的定量关系。通过实验，认识受迫振动的特点。

课程标准特意给出了两个案例：

(1)调查生产生活中受迫振动的应用实例；

(2)调查生产生活中利用和防止共振的实例。

依据教材内容和课程标准要求，本单元内容在提升学生学科核心素养方面

表现如下：一是加深学生对简谐运动及其相关规律的认识，强化运动与相互作

用观念；二是通过“认识新的运动形式及其规律”的任务作为一条探究主线，

发展学生的科学思维和科学探究能力。

通过对课程标准、教材、教学内容的分析，本单元的设计从生活真实情境

出发，围绕“怎样研究新的运动形式及其规律”这个问题进行大单元设计，在探

究过程中步步深入，从了解机械振动的特点和描述简谐运动的独特性，到探究

简谐运动本质原理，再到运用规律解决问题，最后得出有效结论，始终围绕解

决问题展开，使学习内容始终围绕学习需求。以问题为中心，并贯穿整个教学

过程，期望学生们在解决真实情境问题的过程中完成相关知识的习得，提升关

键能力和必备品格。

4.单元内容分析

(1)核心概念：

机械振动、弹簧振子、单摆、位移、振幅、周期、频率、回复力、能量

(2)内容结构：

①知识结构

机

械

振位移一时间图像；正弦曲线

动

H单摆运动规正^∣——I单摆的周期;:利用单摆测重力加速度

T重要应用I—______I________________

U受迫振动I-I振动的阻尼I-I受迫振动的特I~I共振的利用与防止

②大概念结构

(3)单元设计流程:

现象本质

弹簧振子

问题情景：

各种振动有何共简谐运动

同特征？

单摆

思考讨论科学探究抽象建模

(4)设计思路:

单

元

利

用

触类

披沙

立

建

深入

由浅

评

估

知

识

此

由

拣金

问题

通

旁

念

究

概

研

展

望

拓

展

隅

观

划

寻

规

探

彼

及

情境

构建

深

未

来

习

学

三

反

习

律

学

规

型

模λ'

(5)学业要求：

《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》中对本单元的学业要

求为：

①能用恰当的物理量描述简谐运动并能解释生产生活中的有关现象。

②能根据现实生活中的振动或摆动的特点，建构简谐运动、单摆等物理模

型。

③能运用这些模型分析问题，通过推理得到结论，对相关现象作出解释。

④会用系统的思想和守恒的思想分析物理问题。能恰当使用证据说明自己

的观点，质疑他人的观点。

⑤能从运动定律、动量守恒、能量守恒等不同角度思考物理问题。

⑥会做“用单摆测量重力加速度的大小”等实验。能恰当选用基本的实验器

材进行实验，会设计实验方案，能对实验器材进行规范操作，获得实验数据。

⑦认识实验误差是不可避免的，具有尽量减小实验误差的意识。能通过不

同方式分析数据，获得结论，并尝试作出解释。能用科学的语言撰写实验报

告。

⑧认识到物理研究是建立在观察和实验基础上的一项创造性工作，在研究

中必须坚持实事求是的态度。

（6）育人价值：

①活动育人：以问题串的方式引导学生运用已有的概念和规律分析生活中常

见的机械振动现象，建构物理模型。小组之间以交流合作的形式进行学习，在

活动的真实情境中发现问题、构建知识、解决问题。

②情境育人：通过创设学生感兴趣的问题情境，引发学生丰富的情感体

验，引导学生进行深入的实验探究。

③思维育人：在研究碰撞现象、单摆运动等实验过程中，进一步领会守恒

思想，提高建模能力。在从相互作用和能量的角度认识机械振动的过程中，使

学生习得研究运动的科学方法和的科学思维。

④情感育人：通过引入现实情境问题，培养学生们对科学知识的好奇心和

求知欲，经历现实情境问题的论证、分析、质疑，培养学生的质疑意识、创新

能力和不惧失败坚持真理的科学品格。

5.主题学情分析：

（1）基本情况

①调查背景:为初步了解高二同学们的知识储备，以期更好地帮助他们进行

本单元的学习，在2022年9月23日至9月30日赴芜湖市第一中学高二年级进

行实地调研。

②调查对象：选择芜湖一中高二年级部分选物理类

班级：高二4班（35人）、高二8班（38人）、高二15班（40人）、高二18班（39

人）、高二23班（40人），开展高二学生问卷调查，上述各班级随机抽取参与调查

学生共172名，其中班级选科组合分别是物化生、物化政、物化地、物生政、

物生地。

③调查形式:基于互联网网络平台的线上调研

④调查内容及结果：

1.你能否分析生活中的具体案例，并能熟练地运用和迁移所学的知识解释生产2.研究物体的运动时，你一般是从哪些角度来分析？［多选题卜

生活中的应用？［单选题上

不粳Jfc57.14%80.95%

（2）学情分析

对于进入高二上学期学习的学生，他们经历了匀变速直线运动、相互作

用、曲线运动、圆周运动、万有引力与航天、机械能守恒各单元的学习，已经

掌握了对物体从运动、受力和能量的角度进行物体的运动分析、受力分析的一

般方法，能理解力与运动的关系，初步形成了运动与相互作用观念，能根据动

力学和运动学规律解决实际的直线运动问题和一般曲线问题，具备了研究更复

杂运动的知识储备。

简谐运动是最简单的机械振动，但对学生而言则是一种复杂的机械运动形

式。尽管学生通过必修课程的学习，对质点运动有了一定的认识，但这种新的

运动形式——简谐运动的知识结构和研究方法，对于学生来说都是全新的内

容。他们对于生活中具体案例的分析能力、运用和迁移所学知识的能力还较

弱，特别是相对比较特殊的简谐运动，他们分析和处理这类问题的经验还不

足，分析运动的一般方法掌握不熟练，对于如何合理、有效地运用所学知识的

能力还比较欠缺。

在教学过程中，为了更好地落实核心素养的培养，帮助学生构建更完善的

知识体系，培养他们对知识进行整合的能力和构建模型能力至关重要。为了保

持学生的思维能够流畅和活跃，将复杂的问题情境进行分解处理，设置合理的

任务台阶，学生在任务驱动下、在问题串引领下借助循环递进式探究法，最终

达到能够灵活应用物理思想方法解决物理问题，提升学生的迁移能力，实现深

度学习的目的。

6.开放性学习环境：

录播教室、座椅按4x6布置、互联网、PPT演示文稿、DlS数字传感器、智慧

云平台系统：智慧云平台主机、教师平板1台、学生平板24台。

三、单元学习目标

1.确定依据：

机械振动是生活中一种常见的运动形式，但是很多学生并不了解机械振动

和简谐运动，对于如何科学描述简谐运动、简谐运动产生的条件以及简谐运动

的运动规律认识不足。因此本单元教学内容的重点是引导学生自主构建简谐运

动的核心概念，探究简谐运动的运动规律，渗透研究运动的科学方法，提升科

学思维和科学探究能力。本单元教学的难点是引导学生如何运用所学知识解决

实际问题。学生在学习和理解简谐运动的相关概念和规律的过程中可能要解决

以下一■些问题：

(1)怎样描述简谐运动的独特性？知道什么是机械振动，了解机械振动是

质点运动的一种形式，知道简谐运动是最基本、最重要的机械振动。通过观察

和分析弹簧振子的运动，从力与运动的关系、能量两个角度认识简谐运动的特

征。知道描述简谐运动的基本物理量——周期、频率和振幅等。知道物体做简

谐运动的原因，能用公式和位移-时间图像描述简谐运动。通过观察，定性了解

振动的相位及相位差的概念。

(2)单摆的周期有什么规律？经历理想化单摆模型建构的科学思维过程，

体验物理模型建构的方法。知道单摆的概念以及由一般摆抽象为单摆的条件，

理解单摆的运动特点。通过实验探究，收集单摆的周期和摆长关系的数据，尝

试得出周期与摆长的定量关系。知道单摆周期与摆长、重力加速度的关系满足

公式T=2τr]∣,与摆球质量、振幅无关。会设计并完成实验，用单摆测定当地

的重力加速度大小，并能进行误差分析。

(3)荡秋千时为什么会逐渐地停下来？原本摆动步调不一致的节拍器为什

么一段时间后摆动的步调一致了？认识受迫振动的特点，知道受迫振动的频率

等于驱动力的频率，受迫振动的频率与振动物体的固有频率无关。知道共振现

象的产生条件，了解合理利用共振现象的方法和如何防止共振现象带来危害的

方法。

(4)本单元是依托真实情境的学习，研究对象不仅是实验室的器材，还有

很多生活场景，例如树梢的振动、浮标、秋千、摆钟等。如何运用科学方法和

科学手段来解决实际问题，这需要学生在学习过程中不断摸索，要尝试构建模

型、学会抓住主要问题忽略次要因素、进一步熟悉运用数学函数、图像、计算

机软件等方面的知识，甚至要改良和创新一些方法，这会给学生带来不小的挑

战。

2.学习目标：

（1）通过对生活情境中物理现象的分析，提出可探究的物理问题，做出初步假

设，并在他人帮助下能制订初步单元学习规划。通过对振动图像的讨论、对回

复力的分析，对能量变化的特点认识，体会研究运动的一般方法。（B3、C3）

（2）通过对生活案例的分析和探究，体会做简谐运动物体的受力特点。能从图

像和公式两个方面描述简谐运动，从动力学和能量两个角度分析简谐运动的特

点，并结合理论分析和实验探究，认识受迫振动和共振现象，解释一些现象。

（A4、B4、C3）

（3）通过描述弹簧振子振动图像、单摆周期大小影响因素的探究，认识到与他

人合作的重要性，知道物理学研究依赖实验器材的改进和创新。通过在真实情

境中运用从简单到复杂、从一般到特殊、从理想到现实的思维构建物理模型分

析现象、解释问题并获得结论。能运用简谐运动的规律对已有观点提出质疑，

学会从不同角度认识简谐运动的问题，并进行简单的创新性研究。（B3、C4、

D3）

（说明：A、B、C、D是《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修

订）》P78~P81“物理学科核心素养水平划分”的四个维度的编码，分别对应物

理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。数字L2、3、4、5对应每

个维度的水平层次等级。）

四、单元学习任务

1.设计思路：

任务一：认识新的运动形式（1课时）

任务二：探究背后运动规律（1课时）

情景问题；摆动步调原

任务三：挖掘现象本质原理（1课时）

先紊乱的节拍器，最后学习任务：认识新的

竟然步调一致，怎么解运动形式及其规律

任务四：研究同类运动规律（1课时）

释这种现象呢？

2.学习规划:

课时课题学习目标学习内容主题情境分解任务学生活动持续性评价侧重素养

活动①：议一议----各小组讨论

1、对学生机械振

任^—:寻找回答对情景问题的理解与认识，

动的物理概念认

共同特征，认寻找自然界中这些物体运动的共

识的正确性做出

识新的运动同特征。

1、通过观察生活中评价

一些运动的特点，1、建立机

知道什么是机械振械振动的概2、评价研究计划

任务二：明确活动②：组织课前斫究计划，基

动，会运用理想化念；中学生的参与度

研究问题，规于观点规划路径

方法建构弹簧振子2、构建弹和回答内容的科

划研究路径

模型；簧振子模学性

自然界中这A1

2、通过动手实验得型；

第1简谐些物体的运3、对学生建立弹B4

到弹簧振子的位移-3、画出弹任务三：明确

课时运动动有什么共活动③：想一想——构建理想化簧振子理想化模C2

时间图像；簧振子振动研究对象，抓

同特征？模型，引出弹簧振子型的科学性做评D3

3、经历探究简谐运时的位移时住主要因素

价

动规律的过程，能间图像；

活动④：画一画——模拟弹簧振4、对学生绘图操

分析数据，发现特4、建立简任务四：猜想

子在某一位置附近往复运动作规范性、上传

点，加深领悟用图谐运动的概弹簧振子位移

活动⑤：猜想x—t图像，利用计的振动过程做分

像法描绘运动的方念。和时间的关系

算机呈现音叉振动图像___________析和评价_________

法。

任务五：实验活动⑥：说一说小组设计方

5、对学生上传实

探究弹簧振子案

验方案的合理性

位移----时间活动⑦：分析实验结果，找出振

做评价

的关系_________动规律__________________________

1、评价学生课后

任务一：展评

活动①:观察振动图像，发现振动作业答题情况以

课后作业，走

特点及对音叉振动的

进新的情境

简谐运认识______________

第2

动的描1、通过观察、讨论1、认识描对于简谐运活动②：将两个相同的弹簧振子

课时A3

述理解振幅、周期和述简谐运动动，我们需任务二：观察竖直悬挂，悬点固定。使两个振2、对学生认识到

B3

频率的概念，并能的物理量；要用哪些物振动特点，认子同时释放，仔细观察这两个相两个弹簧振子振

C2

用这些概念描述、2、发现简理量来描述识振动强弱同的弹簧振子的运动有什么不动强弱的不同做

D3

解释简谐运动。谐运动的周它呢？同？评价_____________

10

2、经历测量小球振期与振幅无活动③：画一画——若分别以

3、对学生认识全

动的周期的实验过关：M'、0、P点为研究起点，画出

振动的准确性分

程，能分析数据、3、用公式任务三：对比一次完整的振动过程

析和评价

发现特点、形成结法和图像法振子振动，认活动④：做一做——利用DlS记

4、对实验的操作

论。描述简谐运识振动快慢录同一弹簧振子在不同振幅时的

规范性、及实时

3、通过观察、比较动振动图像

获得的实脸数据

两个小球的振动情活动⑤：比一比----简谐运动的

做分析和评价

况，体会相位、初快慢会不会有所不同？____________

相位的意义。

5、对学生认识到

、经历对简谐运动任务四：体验

4活动⑥：观一观——两次实验小两次弹簧振子振

运动学特征的探究振动过程，理

球振动情况有何特点？动步调的不同做

过程，加深领悟用解相位意义

评价

公式法描绘运动的

方法。6、对学生结合数

任务五：结合活动⑦：说一说----结合振动特

学知识用公式描

数学知识，描点，认识正弦函数表达式中各符

述简谐运动的能

述简谐运动号的物理意义

力做评价

1、通过实验，认识1、理解回-一活动①：理一理——根据本章第

任务一：走进

简谐运动中位移、复力的概一节课的单元学习规划，思考从1、能否顺利确定

情境，探究简

速度、回复力和加念；哪些角度去探究物体做简谐运动研究问题的思路

谐运动的原因

速度的变化规律及2、发现简的原因。_________________________

相互联系：理解理谐运动回复活动①：想一想：如何对弹簧振

解各参数之间的逻力的特点，子进行受力分析。

任务二：分析、能否理论分析

辑关系，巩固运动理解回复力活动②：画一画：试画出做简谐2

简谐运受力，探究弹出受力特点并总

第3和相互作用关系的公式物体做简谐运动的水平弹簧振子受到的回复

动的回簧振子的回复结规律B3

课时物理观念。FIa=-kx;运动的原因力，寻找回复力大小的规律。

力规律C4

复力与2、通过分析弹簧振3、理解简是什么？活动③：找一找：探寻回复力方

D3

能量子的受力特点，理谐运动过程向的规律。_______________________

解回复力的概念，中能量的变任务三：案例、对理论和实验

活动①：用一用：验证回复力规3

掌握建立物理模型化规律。分析，检脸规验证过程评价。

律在简谐运动中的准确性。

解决实际问题的方律_____________

法任务四：分析活动①：想一想：如何设计研究4、是否理论分析

3、通过对弹簧振子做功，探究弹表格？出能量的变化规

的运动和能量的分簧振子能量的活动②：找一找：展评对比，你律

析，能定性地说明变化__________发现了什么？____________________

11

弹簧振子系统的机

械能守恒，形成能

量观和运动观。

1、对学生能否明

任务—、展评

确分析秋千运动

作业，走进情活动①：说一说----如何判定秋

的两种思路做评

境提出问题千运动是否为简谐运动。

1、构建理价

想化物理模

2、对学生掌握实

型单摆任务二、明确

活动②：忆一忆----前面是如何际摆能否抽象出

1、通过单摆动的物2、通过绘对象，构建理

简化弹簧小车？理想化单摆判断

理模型构建，理解制单摆振动想物理模型

摆长、摆角、周图像确定单条件做评价

期、振幅等概念。摆运动是简3、是否可以通过

任务三、初探

2、通过推导回复力谐运动活动③：做一做——①绘制单摆图像得到单摆做

规律，尝试绘

表达式的过程中，3、通过分振动图像简谐运动做评价

制单摆图像

了解处理问题的近析单摆受

似方法。经历探究力，确定单如何判定秋

第4任务四、寻找

单摆周期与摆长的实摆做简谐运千运动是否活动④：推一推----摆动起来的4、能否理解单摆A3

课时证据，分析单

验，进一步体会控动的条件以为简谐运动单摆在C点的回复力。做简谐运动条件B3

摆受力特点

制变量法，了解单及回复系数做评价

、通过实

摆周期公式。4活动⑤：议一议单摆运动的

3、经历实验探究，验探究确定周期与哪些因素有关呢？需要用

培养兴趣和求知影响单摆周

什么方法进行研究？

期的因素，5、知道单摆周期

欲,体验战胜困任务五、运用

影响因素并能够

难、解决物理问题以及通过实规律，探究摆活动⑥：做一做——探究影响单

验探究单摆知道单摆周期公

时的喜悦。钟物理原理摆的周期因素

周期与摆长式做评价

的定量关活动⑦：做一做——利用单摆实

系，知道单验仪探究单摆周期与摆长之间的