【公開課】單擺+教學(xué)設(shè)計(jì)高二上學(xué)期物理人教版（2019）選擇性必修第一冊(cè)

第4節(jié)《單擺》教學(xué)設(shè)計(jì)課題單擺章節(jié)第二章第4節(jié)學(xué)科物理年級(jí)高二教材分析在學(xué)習(xí)單擺之前，學(xué)生學(xué)習(xí)了簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)及其圖像，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振幅、周期、頻率以及回復(fù)力和能量等內(nèi)容，本節(jié)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用實(shí)例。通過學(xué)習(xí)受力和運(yùn)動(dòng)情況均較為復(fù)雜的單擺，促進(jìn)學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律的進(jìn)一步理解和應(yīng)用，豐富學(xué)生的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念。教材以“單擺的擺動(dòng)是否為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)?”作為問題啟發(fā)學(xué)生思考，通過對(duì)單擺回復(fù)力的分析推導(dǎo)和“做一做”觀察墨汁圖樣的實(shí)驗(yàn)，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷和知識(shí)形成過程。通過對(duì)較為復(fù)雜的單擺的相關(guān)問題進(jìn)行分析和推理，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。探究單擺周期與擺長(zhǎng)的關(guān)系時(shí)，先用控制變量法定性研究，再用圖像法處理數(shù)據(jù)獲得定量結(jié)果，提升學(xué)生科學(xué)探究的能力。本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)是對(duì)單擺運(yùn)動(dòng)規(guī)律和單擺周期公式的探究。單擺是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的典型模型之一，也是豐富學(xué)生運(yùn)動(dòng)與相互作用觀的重要知識(shí)載體。本節(jié)的難點(diǎn)在于對(duì)單擺回復(fù)力的判定以及對(duì)小角度的近似處理，雖然教材在必修模塊已滲透極限思維，但大部分學(xué)生對(duì)小角度的近似處理缺少經(jīng)驗(yàn)，還會(huì)存在學(xué)習(xí)障礙。學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)1.學(xué)生能正確判斷什么是單擺，能概括出單擺的構(gòu)成。2.學(xué)生能概括出單擺振動(dòng)的特點(diǎn)，分析出單擺回復(fù)力的來源，解釋擺角很小時(shí)單擺的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。3.學(xué)生能夠通過教師自制教具概括出單擺的周期跟什么因素有關(guān)，能夠熟記單擺的周期公式，并能用來進(jìn)行有關(guān)計(jì)算。核心素養(yǎng)目標(biāo)1、通過分析單擺運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征，促使學(xué)生形成經(jīng)典物理相互作用觀。2、通過從定性和定量?jī)蓚€(gè)方面分析單擺的周期與哪些物理量的關(guān)系進(jìn)行歸納推理，提升了學(xué)生的科學(xué)思維能力。3、通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、制定方案、改進(jìn)方案、應(yīng)用科技手段獲取和處理信息以及基于證據(jù)得到結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。4、通過對(duì)單擺周期與擺長(zhǎng)定量研究，使學(xué)生逐步形成對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，體會(huì)物理學(xué)是人類有意識(shí)的探究而形成的對(duì)自然現(xiàn)象的描述和解釋，是一項(xiàng)建立在觀察和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性工作。通過使學(xué)生應(yīng)用學(xué)到的知識(shí)正確解決生活和社會(huì)的實(shí)際問題，增強(qiáng)學(xué)生的成就感和責(zé)任感。重點(diǎn)單擺振動(dòng)的特點(diǎn)，理解擺角很小時(shí)單擺的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。難點(diǎn)單擺振動(dòng)的特點(diǎn)，理解擺角很小時(shí)單擺的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。教學(xué)過程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動(dòng)學(xué)生活動(dòng)設(shè)計(jì)意圖導(dǎo)入新課生活中經(jīng)?？梢钥吹綉覓炱饋淼奈矬w在豎直平面內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。秋千、鐘擺等，或者將一小球用細(xì)繩懸掛起來，把小球拉離最低點(diǎn)釋放后，小球就會(huì)來回?cái)[動(dòng)。小球的擺動(dòng)是否為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)呢?觀察生活中常見的懸掛起來的物體在豎直平面內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。從實(shí)際生活情景出發(fā)，激發(fā)學(xué)生思考，引出新課內(nèi)容。講授新課講授新課講授新課講授新課課堂練習(xí)單擺思考討論1：什么是單擺？定義：一根不可伸長(zhǎng)的細(xì)線下面懸掛一個(gè)小球就構(gòu)成了單擺。擺長(zhǎng)：懸點(diǎn)到球心的距離擺角：擺到最高點(diǎn)時(shí)，擺線與豎直方向的夾角。單擺是實(shí)際擺的理想化模型。在細(xì)線的一端拴上一個(gè)小球，另一端固定在懸點(diǎn)上，如果線的伸縮和質(zhì)量可以忽略不計(jì)，球的直徑比線長(zhǎng)短得多，這樣的裝置叫單擺。懸點(diǎn)：固定細(xì)線：不可伸縮，質(zhì)量不計(jì)，長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于小球直徑。擺球：體積小，質(zhì)量大。學(xué)以致用：誰(shuí)能看作單擺?答案：以上都不能思考討論2：?jiǎn)螖[振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)嗎？可以采用什么方法進(jìn)行驗(yàn)證？有幾種方法驗(yàn)證一個(gè)運(yùn)動(dòng)是否為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)？（1）根據(jù)回復(fù)力的規(guī)律F=-kx去判斷。（2）根據(jù)物體的振動(dòng)圖像去判斷。二、單擺的回復(fù)力通過類比前面彈簧振子的運(yùn)動(dòng)的研究，我們還是從動(dòng)力學(xué)主要從物體的受力特點(diǎn)來研究以及運(yùn)動(dòng)學(xué)了物體的位移和時(shí)間關(guān)系兩個(gè)角度來研究?；貜?fù)力大?。褐亓ρ厍芯€的分力提供回復(fù)力與該點(diǎn)速度方向在同一直線上，不斷改變速度大小方向：沿切線指向平衡位置向心力大?。号c該點(diǎn)速度方向垂直，只改變速度方向方向：沿半徑指向懸點(diǎn)在擺角小于5度的條件下：Sinθ≈θ（弧度值）。當(dāng)θ很小時(shí)，x≈弧長(zhǎng)，位移方向與回復(fù)力方向相反，方法二：通過單擺的振動(dòng)圖像來證明是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)如圖，細(xì)線下懸掛一個(gè)除去了柱塞的注射器，注射器內(nèi)裝上墨汁。當(dāng)注射器擺動(dòng)時(shí)，沿著垂直于擺動(dòng)的方向勻速拖動(dòng)木板，觀察噴在木板上的墨汁圖樣。結(jié)論：?jiǎn)螖[振動(dòng)的x-t圖象是一條正弦（余弦）函數(shù)圖像。綜上，在擺角很小的情況下，單擺做簡(jiǎn)諧振動(dòng)。思考討論3：擺角θ很小時(shí)，單擺做的是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，單擺的周期與什么因素有相關(guān)呢？三、單擺的周期通過自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)方法：控制變量法實(shí)驗(yàn)1：擺球質(zhì)量相同，擺長(zhǎng)L相同，觀察周期T與振幅的關(guān)系？實(shí)驗(yàn)2：擺長(zhǎng)L相同，振幅相同，觀察周期T與擺球質(zhì)量的關(guān)系？實(shí)驗(yàn)3：擺球質(zhì)量相同，振幅相同，觀察周期T與擺長(zhǎng)L的關(guān)系？2、實(shí)驗(yàn)結(jié)論在同一個(gè)地方，單擺周期T與擺球質(zhì)量和振幅無關(guān)，僅與擺長(zhǎng)L有關(guān)系，且擺長(zhǎng)越長(zhǎng)，周期越大。單擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的周期T與擺長(zhǎng)L的二次方根成正比，與重力加速度g的二次方根成反比，與振幅、擺球質(zhì)量無關(guān)．單擺的周期公式：四、單擺周期的應(yīng)用（1）計(jì)時(shí)器：利用等時(shí)性惠更斯在1656年首先利用擺的等時(shí)性發(fā)明了帶擺的計(jì)時(shí)器（1657年獲得專利權(quán)）。周期T=2s的單擺叫做秒擺（2）測(cè)定當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣鹊脺y(cè)出單擺的擺長(zhǎng)和周期就可求重力加速度課堂練習(xí)1.(單擺的認(rèn)識(shí))(多選)單擺是為研究振動(dòng)而抽象出的理想化模型，其理想化條件是()A．?dāng)[線質(zhì)量不計(jì)B．?dāng)[線不可伸縮C．?dāng)[球的直徑比擺線長(zhǎng)度短得多D．只要是單擺的運(yùn)動(dòng)就是一種簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)2．(單擺的回復(fù)力)(多選)關(guān)于單擺，下列說法中正確的是()A．單擺振動(dòng)的回復(fù)力是重力沿圓弧切線方向的分力mgsinα，其中α是擺線與豎直方向之間的夾角B．單擺的回復(fù)力是重力和擺線拉力的合力C．單擺的擺球在平衡位置時(shí)(最低點(diǎn))的加速度為零D．單擺的振動(dòng)周期在偏角很小的條件下跟振幅無關(guān)3．夏天的河上，有幾名熟悉水性的青年將繩子掛在橋下蕩秋千，繩子來回蕩幾次后跳入河中?，F(xiàn)把秋千看成單擺模型，圖為小明在蕩秋千時(shí)的振動(dòng)圖像，已知小王的體重比小明的大，則下列說法正確的是()A．小王蕩秋千時(shí)，其周期大于6.28sB．圖中a點(diǎn)對(duì)應(yīng)蕩秋千時(shí)的最高點(diǎn)，此時(shí)回復(fù)力為零C．小明蕩到圖中對(duì)應(yīng)的b點(diǎn)時(shí)，動(dòng)能最小D．該秋千的繩子長(zhǎng)度約為10m4.圖甲是一個(gè)單擺振動(dòng)的情形，O是它的平衡位置，B、C是擺球所能到達(dá)的最遠(yuǎn)位置，設(shè)擺球向右運(yùn)動(dòng)為正方向，圖乙是這個(gè)單擺的振動(dòng)圖象。根據(jù)圖象回答：（1）單擺振動(dòng)的頻率是多大？（2）若當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣葹?0m/s2，試求這個(gè)擺的擺長(zhǎng)是多少？（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字π2可以取10）學(xué)生閱讀教材，找出單擺的定義個(gè)特點(diǎn)。掌握單擺的“理想化”特點(diǎn)。完成課堂練習(xí)。討論前幾課學(xué)習(xí)到的判斷簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的方法。結(jié)合回復(fù)力的概念，對(duì)擺球進(jìn)行受力分析。嘗試證明單擺的回復(fù)力滿足F=-kx的形式。觀察沙擺的圖像演示。觀察單擺的位移時(shí)間圖像。利用控制變量法探究實(shí)驗(yàn)規(guī)律。三名學(xué)生分別上臺(tái)做實(shí)驗(yàn)并說出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。完成課堂練習(xí)。學(xué)生回答完成課堂練習(xí)。學(xué)生回答完成課堂練習(xí)。學(xué)生回答完成課堂練習(xí)。學(xué)生到黑板進(jìn)行計(jì)算書寫以思考討論的方式引入新課，讓學(xué)生級(jí)級(jí)參與課堂，更好的理解深化所學(xué)知識(shí)。通過練習(xí)，掌握單擺的特點(diǎn)。溫故知新通過對(duì)擺球的受力分析，明確單擺回復(fù)力的來源。提高學(xué)生自主分析問題的能力。小組討論，推導(dǎo)單擺的的回復(fù)力滿足的形式通過觀察實(shí)驗(yàn)，讓結(jié)論更加直觀，便于學(xué)生理解記憶。通過實(shí)驗(yàn)探究，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力和歸納總結(jié)能力。檢驗(yàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)的完成情況1.能正確判斷什么是單擺，能概括出單擺的構(gòu)成。2.能概括出單擺振動(dòng)的特點(diǎn)，分析出單擺回復(fù)力的來源，解釋擺角很小時(shí)單擺的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。3.能夠通過教師自制教具的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，概括出單擺的周期跟什么因素有關(guān)，能夠熟記單擺的周期公式，并能用來進(jìn)行有關(guān)計(jì)算。課堂小結(jié)一、單擺的回復(fù)力擺球重力沿切線方向的分力二、單擺的周期總結(jié)本節(jié)課所學(xué)