高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册4 单摆获奖教学设计

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册4 单摆获奖教学设计，共8页。教案主要包含了单摆的回复力，单摆的周期等内容，欢迎下载使用。


课题
单摆
单元
2
学科
物理
年级
高二
教材分析
在学习单摆之前，学生学习了简谐运动及其图像，简谐运动的振幅、周期、频率以及回复力和能量等内容，本节是简谐运动的应用实例。通过学习受力和运动情况均较为复杂的单摆，促进学生对简谐运动规律的进一步 理解和应用，丰富学生的运动与相互作用观念。教材以“单摆的摆动是否为简谐运动?”作为问题启发学生思考，通过对单摆回复力的分析推导和“做一做”观察墨汁图样的实验，丰富了学生的学习经历和知识形成过程。通过对较为复杂的单摆的相关问题进行分析和推理，促进学生科学思维的发展。探究单摆周期与摆长的关系时，先用控制变量法定性研究，再用图像法处理数据获得定量结果，提升学生科学探究的能力。
本节教学的重点是对单摆运动规律和单摆周期公式的探究。单摆是简谐运动的典型模型之一，也是丰富学生运动与相互作用观的重要知识载体。本节的难点在于对单摆回复力的判定以及对小角度的近似处理，虽然教材在必修模块已渗透极限思维，但大部分学生对小角度的近似处理缺少经验，还会存在学习障碍。
学习
目标
物理观念：知道什么是单摆，单摆的构造，单摆回复力的来源。
科学思维：掌握单摆振动的特点，理解摆角很小时单摆的振动是简谐运动。
科学探究：会用单摆测定重力加速度。
重点
单摆振动的特点，理解摆角很小时单摆的振动是简谐运动。
难点
单摆振动的特点，理解摆角很小时单摆的振动是简谐运动。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
导入新课
生活中经常可以看到悬挂起来的物体在竖直平面内往复运动。将一小球用细绳悬挂起来，把小球拉离最低点释放后，小球就会来回摆动。小球的摆动是否为简谐运动呢?
观察生活中常见的悬挂起来的物体在竖直平面内往复运动。

从实际生活情景出发，激发学生思考，引出新课内容。
讲授新课
思考讨论1：什么是单摆？
定义：一根不可伸长的细线下面悬挂一个小球就构成了单摆。
摆长：悬点到球心的距离
摆角：摆到最高点时，摆线与竖直方向的夹角。
单摆是实际摆的理想化模型。
在细线的一端拴上一个小球，另一端固定在悬点上，如果线的伸缩和质量可以忽略不计，球的直径比线长短得多，这样的装置叫单摆。
悬点：固定
细线：不可伸缩，质量不计，长度远大于小球直径。
摆球：体积小，质量大。
课堂练习1、谁能看作单摆?
答案：F
思考讨论2：如何若判断单摆振动是不是简谐运动？用什么方法判断？
（1）根据回复力的规律F=-kx去判断。
（2）根据物体的振动图像去判断。
一、单摆的回复力
回复力大小：重力沿切线的分力提供回复力
与该点速度方向在同一直线上，不断改变速度大小
方向：沿切线指向平衡位置
向心力大小：
与该点速度方向垂直，只改变速度方向
方向：沿半径指向悬点
在摆角小于5度的条件下：Sinθ≈θ（弧度值）。
当θ很小时，x≈弧长，
位移方向与回复力方向相反
，
摆角θ＜5°的单摆运动可认为是简谐运动
思考讨论3：分析单摆运动时其对平衡位置位移、回复力、加速度、速度在一次全振动中的变化？
单摆的振动图像
如图，细线下悬挂一个除去了柱塞的注射器，注射器内装上墨汁。当注射器摆动时，沿着垂直于摆动的方向匀速拖动木板，观察喷在木板上的墨汁图样。
结论：单摆振动的x-t图象是一条正弦（余弦）函数图像。
综上，在摆角很小的情况下，单摆做简谐振动。
课堂练习2、(多选)关于单摆摆球在运动过程中的受力,下列结论正确的是( )
A.摆球受重力、摆线的拉力作用
B.摆球受重力、摆线的拉力、回复力作用
C.摆球的回复力为零时,向心力最大
D.摆球的回复力最大时,摆线中的拉力大小比摆球的重力大
解析:单摆在运动过程中,摆球受重力和摆线的拉力,重力沿圆弧切线的分力提供回复力,故A对、B错;在平衡位置处,回复力为零,速度最大,向心力最大,选项C正确;当回复力最大时,摆球在最大位移处,速度为零,向心力为零,则拉力等于重力沿半径方向的分力,即拉力小于重力,选项D错误。
答案：AC
思考讨论4：摆角θ很小时，单摆做的是简谐运动，单摆的周期与什么因素有相关呢？
二、单摆的周期
1、实验方法：控制变量法
摆长l相同，摆角相同，观察周期T与摆球质量的关系？（视频演示）
摆球质量相同，摆长l相同，观察周期T与振幅的关系？（视频演示）
摆球质量相同，振幅相同，观察周期T与摆长l的关系？（视频演示）
2、实验结论
在同一个地方，单摆周期T与摆球质量和振幅无关，仅与摆长 l 有关系，且摆长越长，周期越大。
单摆做简谐运动的周期T与摆长L的二次方根成正比，与重力加速度g的二次方根成反比，与振幅、摆球质量无关．
单摆的周期公式：
做一做：
改变摆长L,测出对应的单摆周期T(在小偏角下)。根据你的实验数据，尝试在坐标纸_上画出T-L图像或T-L2图像。它们分别是什么曲线?你能根据图像判断单摆周期与摆长的关系吗?
3. 单摆周期的应用
（1）计时器：利用等时性
惠更斯在1656年首先利用摆的等时性发明了带摆的计时器（1657年获得专利权）。
周期T =2s的单摆叫做秒摆
（2）测定当地的重力加速度
得
测出单摆的摆长和周期就可求重力加速度
课堂练习3、一个摆长为2 m的单摆,在地球上某地振动时,测得完成100次全振动所用的时间为284 s。
(1)求当地的重力加速度g的大小。
(2)把该单摆拿到月球上去,已知月球上的重力加速度是1.60 m/s2,则该单摆振动周期是多少?
解析:(1)周期T= s=2.84 s
由周期公式T=2π得
g= m/s2=9.78 m/s2。
(2)T'=2π=2×3.14× s=7.02 s。
学生阅读教材，找出单摆的定义个特点。
掌握单摆的“理想化”特点。
完成课堂练习。
讨论前几课学习到的判断简谐运动的方法。
结合回复力的概念，对摆球进行受力分析。
尝试证明单摆的回复力满足F=-kx的形式。
分析单摆运动时其对平衡位置位移、回复力、加速度、速度在一次全振动中的变化。
观察沙摆的图像演示。观察单摆的位移时间图像。
完成课堂练习。
利用控制变量法探究实验规律。
了解单摆周期性的应用。
完成课堂练习。
以思考讨论的方式引入新课，让学生级级参与课堂，更好的理解深化所学知识。
通过练习，掌握单摆的特点。
通过对摆球的受力分析，明确单摆回复力的来源。提高学生自主分析问题的能力。
小组讨论，推导单摆的的回复力满足的形式。
小组讨论，找出答案，让学生更好的理解单摆运动的特点。
通过观察实验，让结论更加直观，便于学生理解记忆。
通过课堂练习，巩固基础知识。
通过实验探究，提高学生的实验探究能力和归纳总结能力。
学以致用，知道物理知识在生活、科技中的应用。提高学生的学习积极性。
通过课堂练习，巩固基础知识。
拓展提高
1、(多选)单摆是为研究振动而抽象出的理想化模型,其理想化条件是( )
A.摆线质量不计
B.摆线长度不伸缩
C.摆球的直径比摆线长度短得多
D.只要是单摆的运动就是一种简谐运动
解析:单摆由摆线和摆球组成,摆线只计长度不计质量,摆球只计质量不计大小,且摆线不伸缩,选项A、B、C正确。但把单摆作为简谐运动来处理是有条件的,只有在摆角很小的情况下才能视单摆的运动为简谐运动,选项D错误。
答案：ABC
2、下列关于单摆的说法正确的是( )
A.单摆摆球从平衡位置运动到正向最大位移处时的位移为A(A为振幅),从正向最大位移处运动到平衡位置时的位移为-A
B.单摆摆球的回复力等于摆球所受的合外力
C.单摆摆球的回复力等于摆球重力沿圆弧切线方向的分力
D.单摆摆球经过平衡位置时加速度为零
解析:简谐运动中的位移是以平衡位置作为起点,摆球在正向最大位移处时位移为A,在平衡位置时位移应为零。摆球的回复力由重力沿圆弧切线方向的分力提供,线的拉力与重力沿摆线方向的分力的合力提供向心力,摆球经最低点(振动的平衡位置)时回复力为零,但向心力不为零,所以合外力不为零;摆球到最高点时,向心力为零,回复力最大,合外力也不为零。
答案：C
3、将秒摆(周期为2 s的单摆)的周期变为4 s,下面哪些措施是正确的( )
A.只将摆球质量变为原来的
B.只将振幅变为原来的2倍
C.只将摆长变为原来的4倍
D.只将摆长变为原来的16倍
解析:单摆的周期与摆球的质量和振幅均无关,选项A、B错误;对秒摆,T0=2π=2 s,对周期为4 s的单摆,T=2π=4 s,故l=4l0,故选项C正确,D错误。
答案：C
完成拓展提高练习题。
通过练习题巩固基础知识。
课堂小结
一、单摆的回复力
摆球重力沿切线方向的分力
二、单摆的周期
总结本节课所学知识。
帮助学生梳理基础知识，形成知识框架。
板书