物理人教版高中选修3412《单摆》教学设计.docx
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物理人教版高中选修3412《单摆》教学设计
高中物理教学设计
《单摆》
人教版选修3—4第十二章第3节
作者:
江西新余四中高中物理组熊志红
一、教学目标
(一)知识与技能
(1)知道什么是单摆,知道组成单摆的理想要求。
(2)知道用实验得出单摆振动图像的方法,知道其图像是正弦曲线。
(3)了解单摆的回复力满足简谐运动的条件。
(4)通过实验,探究单摆的周期的决定因素,知道单摆的周期公式。
(5)知道单摆的两个应用。
(二)过程与方法
(1)通过观察振动曲线,猜想单摆的运动是简谐运动。
(2)通过实验探究,知道单摆的周期与摆长有关。
(三)情感态度与价值观
培养学生利用身边的小物件设计实验的习惯,在生活中探究物理规律,激发对物理学习的兴趣。
二、教学重点
(1)通过实验,探究单摆的周期的决定因素,知道单摆的周期公式。
(2)知道单摆的两个应用。
(3)会用周期公式解决问题。
三、教学难点
灵活应用周期公式解决问题
四、教学方法与手段
教具:
铁架台、单摆(三个)、盛砂漏斗,硬纸板,砂
方法:
实验演示、布置课外实验、实验探究、与弹簧振子比较。
五、教学过程
引入新课:
前面几节课我们学习了弹簧振子,知道了简谐运动的图像特点及受力特点。
在日常生活中,我们还常常看到摆钟、秋千都在竖直面内做摆动,这些摆动属于振动吗?
是简谐运动吗?
这就要用到简谐运动的图像特点及受力特点来分析。
由于这些实例太复杂,物理中必须抽象出一种最简单的摆动模型——单摆。
1、什么是单摆
(1)单摆:
细线一端固定在悬点,另一端系一个小球,如果细线的质量与小球相比可以忽略;球的直径与线的长度相比也可以忽略,这样的装置就叫做单摆。
(2)摆长:
悬点到摆球重心的距离叫做摆长。
摆长L=L0+R
(3)单摆理想化条件:
师:
在前面我们还学过什么理想模型?
生:
弹簧振子、自由落体、平抛运动等。
师:
弹簧振子的理想条件是什么
生:
不考虑摩擦阻力,不考虑弹簧的质量,不考虑振子(金属小球)的大小和形状(当作质点)
师:
单摆也有相似的理想化条件:
①摆线质量m远小于摆球质量M,即m< ②摆球的直径d远小于单摆的摆长L,即d<<L ③摆球所受空气阻力远小于摆球重力及绳的拉力,可忽略不计。 ④摆线的伸长量很小,可以忽略。 师: 判断下列组合是否可以当做单摆 生: 模型 (1)不是单摆,因为橡皮筋伸长不可忽略。 模型 (2)不是单摆,因为绳子质量不可忽略。 模型(3)不是单摆,因为篮球直径不可忽略。 模型(4)不是单摆,因为乒乓球质量太小 模型(5)是单摆。 师: 通过练习我们知道什么是单摆装置。 如果让单摆小球在竖直面内摆动起来,小球做的是机械振动吗? 生: 是。 师: 为什么? 生: 因为小球在平衡位置附近做往复运动? 师: 对,平衡位置在哪里呢? 生: 小球不做摆动时的位置,即摆动中的最低点。 师: 很好! 小球的运动是不是简谐运动呢? 生: 看他的回复力满足简谐运动的条件吗? 师: 还有别的方法吗? 上节课我们说可以从两个方面证明简谐运动? 生: 作出他的振动图像是不是正弦曲线。 师: 好,下面我们先来看看他的振动图像,然后再分析他的回复力。 2、单摆的振动图像 师: 请同学们观看视频,这是老师 用数码相机在家录制的一段视 频,漏斗是用牛奶盒包装纸做 的,把装有细沙的漏斗用细线 吊在支架上,下方放一块硬纸 板,纸板上固定一张白纸,让 漏斗摆动,稳定后沿跟摆动方 向垂直的方向匀速推动硬纸板 。 从漏斗漏出的细沙连续不断 地落在硬纸板上,记录下各个时 刻摆球的位置,显示出一条曲线。 师: 可以看出,单摆的振动图像大概是一条正弦曲线,单摆的运动可能是简谐运动。 同学们回家后也可以象老师一样做这样的实验,看在实验中会遇到哪些问题,你是如何解决的,写出你的感受,下节课与大家一起分享。 师: 老师今天带来一个实验作品给大家看,老师是怎样把正弦曲线粘在白纸上的呢? 下去给学生展示。 师: 老师把沙漏到透明胶有粘性的一面,再用白纸覆盖在上面就成了这样。 你们回去也可以试试,或者你还有别的方法。 师: 下面我们再看看单摆的回复力满足简谐运动的条件吗。 3、单摆的回复力 师: 如图,小球在远离平衡位置运动中经过p位置时受到几 个力? 生: 两个力: 重力G和细线的拉力F` 师: 半径方向的拉力F`需要考虑吗? 为什么? 生: 因为摆球沿圆弧运动,因此可以不考虑沿悬线方向的力, 只考虑沿圆弧方向的力。 师: 摆球所受的回复力是什么? 生: 摆球在圆弧方向上受到的只是重力在这个方向的分力 F=mgsinθ,这就是它的回复力。 师: 回复力大小和方向满足简谐运动的条件吗? 当摆球运动到P点时,摆线与竖直方向的夹角为θ,摆球偏离平衡位置的位移为x,摆长为l F=mg•sinθsin=d/l 仔细观察下列表格,你能得出什么结论? 角度 sinθ 弧度值θ 1o 0.01745 0.01754 2o 0.03490 0.03491 3o 0.05234 0.05236 4o 0.06976 0.06981 5o 0.08716 0.08727 6o 0.10453 0.10472 7o 0.12187 0.12217 8o 0.13917 0.13863 当θ角很小(θ<50)时,角的正弦值近似等于θ所对应的弧度值,即sinθ≈θ ∵θ=弧长/半径弧长≈弦长=x∴θ≈x/l∴sinθ≈x/l F=mgsinθ≈mgx/l 又∵回复力的方向与位移的方向相反 ∴回复力F= x 结论: 在摆角很小(θ<50)的情况,单摆的振动是简谐运动 4、单摆的周期公式 (1)猜想 师: 单摆的振动周期与哪些因素有关呢? 生1: 振幅越大,周期越大。 生2: 摆长越长,周期月大。 生3: 质量越大,周期越小。 (2)实验探究 方法: 控制变量法 实施: 学生分三组设计实验 关系 实验器材 实验步骤 观察测量 分析比较 甲组 摆的周期与振幅的关系 两个摆长、质量相同的摆 让两个相同的摆做振幅大小不等的振动 比较两摆的振动快慢相同 无关 乙组 摆的周期与质量的关系 两个摆长相同、质量不等的摆 让两个摆长和偏角相同,质量不等的摆振动 比较两摆的振动快慢相同 无关 丙组 摆的周期与摆长的关系 两个摆长不同、质量相等的摆 让两个质量相等,摆长不等的摆振动 比较两摆的振动快慢不同 摆长越长周期越大 实验保持偏角小于100 (3)理论探究 师: 质量对单摆和弹簧振子周期的影响相同吗? 生: 不同,前者无关,后者有关。 师: 周期与摆长的关系如何呢? 这需要用实验进一步测量和分析,下节课我们再做这个实验。 一个叫惠更斯的荷兰科学家做了进一步的研究,确定了单摆振动的周期与摆长的平方根成正比的关系: T∝ 得出了单摆的周期公式: T=2 l: 摆长(悬点到小球重心的距离) g: 当地重力加速度 5、单摆的应用 (1)计时器 原理: 单摆的等时性 实验: 计算秒摆的摆长并检验和校准 (告诉学生周期为2秒的摆为秒摆,让学生计算秒摆的摆长,并制作一个秒摆,用手头的仪器检验该秒摆准确吗? ) (2)测定重力加速度 T=2 → 课堂练习: 1、以下四种状态下,物体受力平衡的是(A) A.弹簧振子通过平衡位置时 B.单摆摆球通过平衡位置时 C.竖直上抛的物体在最高点时 D.做匀速圆周运动的物体 说明: 知道单摆运动的轨迹是圆弧,在做简谐运动的同时,也在做圆周运动。 2、如图所示,曲面AO是一段半径为2m的光滑圆弧面,圆弧与水平面相切于O点,AO弧长为10cm,现将小球先后从曲面的顶端A和AO的中点B由静止释放,则到达底端O的速度分别为V1和V2,经历的时间分别为t1和t2,那么(B) A、V1>V2,t1>t2;B、V1>V2,t1=t2;C、V1=V2,t1=t2;D、V1>V2,t1<t2; 说明: 1、单摆在运动中动能和势能相互转换 2、单摆的运动周期与振幅无关 3、将秒摆(周期为2s)的周期变为1s,下列措施可行的是(D) A.将摆球的质量减半B.振幅减半C.摆长减半D.摆长减为原来的1/4 说明: 熟悉单摆的周期公式T=2 ,并能用它来解决问题。 教学后记 本节内容分两课时讲完。 教学中进行了必要的探究式教学环节,例如: 1、单摆是不是简谐运动,引导学生进行讨论,提出证明方法,教师再进行分析。 2、单摆的周期公式,教师先让学生进行猜想,再引导学生用控制变量法进行实验的探究。 让学生体验知识的获得过程。 将物理课堂延伸到课外,让学生利用生活中的瓶瓶罐罐设计、组装、改进实验,并交出自己的自制实验装置,写出必要的心得体会。 化解难点: 对单摆作简谐运动的回复力不是重力和细线拉力的合力的问题,在课堂上不提出,在课堂练习第一题中分析。 教学中要注意掌握时间,把握学生探究的深度。
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- 单摆 物理 人教版 高中 选修 3412 教学 设计