5. 学生实验：用单摆测定重力加速度教学设计(第一课时)

单摆教学设计

关键词：探究式 实验教学

物理学是一门以实验为基础的自然学科，在高中的各门基础课程中，物理课在提高学生的核心素养方面起着无可替代的作用。实验教学在物理教学中有着重要地位，通过实验，不仅能提高学生学习物理的兴趣，培养了他们的实践能力、分析能力，更重要的是可以形成他们实事求是的世界观。

一．发展学生核心素养：

1.通过创设学生感兴趣的问题情境，引导学生运用已有的简谐运动及其图象，振幅、周期、频率、简谐运动的回复力和能量等概念和规律分析单摆模型，学会用守恒定律解决问题的方法。

2.作为简谐运动的应用实例，学习单摆的运动规律、受力情况和图象特点，加强对单摆内容的理解、深化。

3．会做“用单摆测量重力加速度的大小”的实验，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。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。

二．教学重点、难点: 1.理解单摆做简谐运动的受力条件，并体会物理学中常用的近似的方法。

2.通过实验观察、设疑、释疑的方式引入单摆周期公式，培养学生探求和分析新问题的能力并加深对公式的物理意义的理解。

三．教学方法

实验观察法、分析归纳法、讲练法

四．教学过程：

【前置学习】

简谐运动可以根据其运动学特征和力的特征来定义。那么根据其运动学特征的定义是什么？

根据其力的特征的定义是什么？

【新知探究】

（一）什么是单摆？

阅读课本第14页第1、2段，思考：什么是单摆？ 1.⑴仔细观察右图所示三个摆，判断它们是不是单摆，为什么？ （提示：从细线质量、长度、摆球所受空气阻力几方面考虑。）

⑵单摆由什么构成？其“理想化”体现在哪里?

2.单摆摆动时摆球在做振动，它是不是在做简谐运动，请结合前置学习第1题提出你的验证方法？

3.观察课本第15页的演示实验，画出的振动图像是怎样的曲线？（可以演示）

(提示：根据X-t图像判断有一定难度，因为我们无法直观地判断曲线的种类。) （二）单摆的回复力

阅读课本第15页单摆的回复力部分，完成下列问题。 1.摆球在A A'间运动时，是什么力使它总能回到O点?其大小是多少？

2.在偏角θ很小时，若设单摆的回复力为F，摆长为l，摆球对O点的位移为,则F与的关系是怎样的？

3.单摆的振动可看作简谐运动的条件是什么？

跟踪训练1 下列关于单摆的说法正确的是（ ）

A.单摆作简谐运动时，到达平衡位置时回复力为零. B.单摆的回复力是摆球重力沿细线方向的分力. C.只有在偏角很小时，单摆的振动才可视为简谐运动. D.单摆作简谐运动时，到达两振动端点时合力为零. （三）单摆的周期

1.单摆的振动可视为简谐运动时，请你猜想它的周期可能与哪些因素有关？

注：学生自由分析猜测，不设标准答案。

2.你将怎样探究周期与这些可能因素的关系？如何设计研究的实验方案？用到了什么实验方法？ （分组讨论后集中比较筛选，原则是简单、易操作、现象明显。）

观察对比性演示实验并记录结果：（同时通过观察演示，了解安装单摆的方法和注意点。）

在这一环节的教学中,以问题的形式环环相扣，循序渐进，增强实验的趣味性、问题性、探索性和应用性。让学生真正成为实验活动的主人,教师成为学生实验的组织者和合作者,而不是权威的讲授者和示范者。对不同的学生和不同的实验环境,这些形式可以选择,各有侧重,又互不割断。尤其体现在自主活动。通过学生自觉地参与实验活动,

探究性实验是在学习物理规律之前进行的,目的是让学生通过对实验现象的观察,分析、归纳、总结出物理规律,或按照提出问题、猜想假设、设计实验方案、进行实验与收集证据、分析论证、评估、交流与合作的步骤探究物理规律,使学生体验科学探究的过程,感悟物理规律的形成过程,掌握探究自然规律的思想方法。活动过程中特别强调的是学生实验的主动性,教师的作用是对学生实验的困难提供必要的指导和帮助。

3.通过实验探究，你得出的结论是什么？

思考：如何探究周期和重力加速度的关系？

启发与演示：虽然我们所在地理位置的重力加速度不能改变，但是我们可以为研究的单摆模拟出不同的重力速度环境。

（1）模拟重力加速度为0的情况

演示实验：如图，用手中的铁夹夹住细线上端，下端悬挂的小球绕固定点做小角度摆动。在摆球到达某一端点瞬间突然松手，整个振动系统一起下落，要求学生观察下落过程中小球的摆动情况。

实验结果：

实验分析：系统自由下落，系统内一切物体均处于完全失重状态，等效重力加速度为0。

实验表明：（学生归纳）

（2）模拟重力加速度增大的情况

演示实验：如图，两个相同的单摆相隔一定距离做同振幅摆动，摆动过程中突然在其中一个摆球的正下方放置一块强磁铁，要求学生观察该摆球以后的摆动快慢。

实验结果：

实验分析：重力加速度在数值上等于物体的重力大小和物体的质量之比，忽略地球自转影响，重力大小又等于地球对物体的吸引力，那么，假如不改变物体的质量，设法增大物体所受吸引力，就相当于物体所在环境的重力加速度增大了。

实验表明：（学生归纳）

这一环节的教学中注重实验设计。实验设计是高中物理实验学习能力的较高要求,是对学生操作技能和思维品质的综合检测,是有效的实验学习方式之一。实验的设计要尽可能采用较少的仪器，所使用的仪器要尽可能简单，设计的选题要尽可能与日常生活实际相联系，实验的原理要尽可能在高中物理范围之内。由教师给出实验课题、提供实验器材、提出实验要求，让学生自己设计实验方案，并选取日常生活中的一些物品作实验器材，自制一些简单的仪器或零件。就地取材，用简单的器材做实验的方法还富于教育意义。因为这样做能使学生感到物理就在自己身边，研究物理并不神秘，从而调动学生的学习积极性、主动性，培养创造精神。

实验设计的特点是情景新、方法活,具有开放性,要求学生对实验的原理有透彻的理解,对实验器材有所取舍和组合,能根据设计的要求和条件,进行分析和判断,制定实验的方案。 4. 阅读第16页实验，思考：怎样探究周期与摆长的定量关系？用什么仪器测量周期、摆线长和小球直径的大小？

小组讨论，得出实验方案和所采用的器材，分组实验。

实验记录：摆球直径d= m （为节约时间，可不同小组分工合作。）

实验次数

线长(m) 摆长(m) 30次全振动时间周期(s) (s) 1

2 3 4 5 数据处理：

这一环节注重合作与交流。合作与交流是一种高效的学习方式。教师在实验教学过程采用小组合作的学习方式,让学生在合作交流中获得知识,促进理解,提高能力。同时强化学生实验探究能力的培养，探索性物理实验的设计不仅有观察、测量的过程，而且需要建立物理模型，对实验的现象和结果用根据物理模型得出的表达式进行解释，从而培养学生运用理论解决实际问题的能力。

5.单摆简谐振动时的周期公式

荷兰物理学家惠更斯研究了单摆的摆动，定量得到：单摆做简谐运动的周期T跟摆长L的二次方根成正比，跟重力加速度g的二次方根成反比，跟振幅、摆球的质量无关。

T2Lg

跟踪训练2

下列关于单摆作简谐运动时振动周期的说法中正确的是

（ ） A.单摆的振动周期与摆球质量无关. B.振幅越大，单摆的振动周期越大. C.在探究周期与摆长的定量关系时，测量单摆周期所用的仪器是摆钟. D.将一单摆由珠穆朗玛峰的山脚移到山顶时，其振动周期变长了. 【自我演练】

1.下列关于单摆的说法正确的是 ( ) A.选择摆球时，只要质量大些即可，不必考虑体积大小. B.摆球经过平衡位置时，其合力竖直向下. C.单摆作简谐运动的周期与其振幅大小无关. D.摆球经过平衡位置时其回复力为零. 2.一个摆钟从甲地拿到乙地，它的钟摆摆动加快了，则下列对此现象的分析及调准方法的叙述中正确的是 ( ) A.ｇ甲＞ｇ乙，将摆长适当增长 B.ｇ甲＞ｇ乙，将摆长适当缩短

C.ｇ甲＜ｇ乙，将摆长适当增长 D.ｇ甲＜ｇ乙，将摆长适当缩短

【课后思考】

用空心铁球内部装满水做摆球，若球正下方有一小孔，水不断从孔中流出，从球内装满水到水流完为止的过程中，其振动周期的大小是 ( ) A.不变 B.变大 C.先变大后变小再回到原值 D.先变小后变大再回到原值

（提示：从重心的角度思考）

教后反思：本节课注重学生的活动，通过学生的自主探究获取结论，充分体现出物理学科以实验为基础的特点。教学过程中注重启发式教学，精心设计思考

题，加强师生间的互动，启发引导学生积极主动探究问题，激发学习兴趣，进而先安排学生设计实验，再集体比较筛选，最后学生分组实验探究，旨在通过探究实验学习科学探究的方法，逐步提高学生的自主学习能力，培养实践能力和科学探究的精神。但是，由于教学过程中学生活动量较多，操作起来有一定的难度，时间的合理安排至关重要，以后进行同类型课题教学时应该布置学生课前预习，甚至先组织学生进行探究，得出初步的结论，这样更有利于课堂时间的充分有效利用，达到新课程标准的要求。

对高中物理实验教学的思考是物理课的魅力所在，实验教学在物理教学中占有举足轻重的地位。我们物理教师要努力提高自身素质,对物理实验教学进行全方位深入的研究,在实验教学中不断摸索和改进,激发学生探究物理规律的热情,培养学生动手实验的能力。