《單擺》探究式教學設計

摘要:本文根據新課程理念，對《單擺》這一節內容的探究式教學進行了設計。

關鍵詞:單擺;探究式教學;教學設計

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1003-6148(2010)5(S)-0068-3

教學設計思路

根據人教版高中《物理》教學過程的特點，并結合高中《物理》課程標準，制定了教學目標，選擇和設計了教學策略，進行教學設計方案的形成性評價。在“選擇和設計教學策略”環節中，對于“單擺在小角度條件下的擺動可看作簡諧運動”內容，主要采用理論推導、實驗、歸納、總結的自主學習方式;對于“單擺的周期與哪些因素有關”內容，主要采用實驗探究性學習、師生合作與自主學習兼用的教學策略。

教學目標

一、知識與技能

1.知道什么是單擺，理解擺角很小時單擺的振動是簡諧運動;

2.知道單擺的周期跟什么因素有關;

3.知道探究單擺的振動周期時采用的科學探究方法。

二、過程與方法

1.通過單擺的教學，知道單擺是一種理想化的模型，學會用理想化的方法建立物理模型。

2.通過探究單擺的周期，使學生領悟用“控制變量”方法來研究物理問題。

三、情感態度與價值觀

1.在實驗探究的過程中，培養興趣和求知欲，體驗戰勝困難、解決物理問題時的喜悅;

2.養成實事求是、尊重自然規律的科學態度。

教學重點、難點

重點:1.了解單擺的構成;2. 單擺的周期公式;3. 知道單擺的回復力的形成。

難點:1. 單擺振動的周期與什么有關;2.單擺振動的回復力是由什么力提供的，單擺做簡諧運動的條件。

教學用具

教師演示實驗:多媒體投影儀，鐵架臺，沙子，單擺，秒表，米尺，磁鐵。

學生分組實驗:游標卡尺，鐵架臺，鐵夾，細線，秒表，米尺，磁鐵，一組質量不同的帶小孔的金屬小球。

教材分析

1.單擺是我們生活中常見的擺動的物理模型，研究單擺運動的規律將有助于我們解決實際生活中的許多問題，所以，本節知識是高中物理中的重點知識。

2.本節教材在簡諧運動的圖像后講授，這樣可使學生在了解簡諧運動的基礎上把受力情況較為復雜的單擺做為簡諧運動的一個特例來研究，符合學生的認知規律。

3.本節內容包括單擺的組成，單擺回復力的形成，單擺的周期及單擺的等時性等知識點。

教學過程

一、引入

演示:細線懸掛的小球的擺動。

指出研究這種運動的必要性。

二、新課教學

㈠單擺模型建立:閱讀課本第30頁第一段。

總結:如果懸掛小球的細線的伸縮和質量可忽略，線長又比球直徑大的多，這樣的裝置就叫單擺。單擺是實際擺的理想化的物理模型。

說明:實際擺的形式多樣，之所以把其抽象為單擺，是為了簡化問題，抓“主”忽“次”

㈡單擺的振動

展示CAI課件——單擺振動模型。

1.受力:重力和拉力(忽略空氣阻力)并分析回復力:F=mgsinθ。

2.平衡位置:回復力為零的位置(注意，非合力為零的位置)。

㈢在擺角很小時，單擺振動為簡諧運動。

問題:如何判斷單擺所做的是簡諧運動?

1.理論證明:

(教師提出思路，由學生在下面推導，然后教師演示證明過程。)

思路:證明回復力和位移大小成正比，方向與位移方向相反。

證明過程:對同一單擺而言，小球的回復力F 與擺角θ的關系為:F=mgsinθ。

上式表明:在小擺角條件下，單擺回復力F與擺球相對平衡位置的位移x大小成正比。而且經分析知:F與x方向相反。

綜上所述:在小擺角條件下，單擺的運動是簡諧運動。

2.實驗驗證:介紹單擺振動圖像演示儀。(通過演示得到的圖形，讓學生聯想起上節學到的知識——簡諧運動的圖象，更形象地感受到單擺在小擺角條件下的振動可以看作簡諧運動。)(用動畫進行模擬，以加深印象。)

總結:從理論和實驗兩方面，都說明在擺角很小的情況下，單擺做簡諧運動。

㈣進行科學探究

1.提出問題

彈簧振子做簡諧運動時具有固有周期，做簡諧運動的單擺是否也有固有周期呢?

2.猜想或假設

彈簧振子做簡諧運動的固有周期取決于振子本身的質量和彈簧的勁度系數，與振幅等外界條件無關。即固有周期僅僅取決于彈簧振子的組成系統。那么，做簡諧運動的單擺的固有周期又取決于哪些因素呢?

引導學生從單擺的結構思考:單擺振動的周期可能與振幅、擺球質量、擺長、當地的重力加速度及空氣阻力有關，也可能與擺線的質地、小球的密度、體積有關……

3.設計實驗(采用啟發式提問，幫助學生設計實驗)

研究的問題跟較多的因素有關時，我們可以用控制變量法。那么本實驗如何操作呢?

教師引導:1.全班分為A、B、C、D四組，請各組設計實驗方案。2.交流方案設計，討論實驗注意事項，如擺長如何測量?怎樣才算是一個周期?在哪個點開始計時，有利于減小誤差?并分配任務。

4.學生分組做實驗。

A組:只改變振幅，探究振幅與T的關系(擺長為1m)。

①振幅A1=8cm，測出單擺的周期T1。

②振幅A2=5cm，測出單擺的周期T′1。

③……

B組: 只改變質量，探究擺球質量與T的關系(擺長為1m)。

①擺球質量為m，測出單擺的周期T2。

②用橡皮泥均勻地粘在擺球周圍，測出單擺的周期T′2。

③……

C組: 只改變擺長，探究擺長與T的關系。

①當擺長為1m時，使用一定的質量的擺球，測出單擺的周期T3。

②當擺長為0.8m時，使用和甲組質量相同的擺球，測出單擺的周期T′3。

③……

D組: 只改變引力(重力加速度)，探究引力與T的關系。

①單擺的擺球用鐵球(質量為m)，測出單擺的周期T4。

②在單擺擺球的平衡位置下方放一塊磁鐵(相當于重力加速度增大)測出單擺的周期T′4。

老師進一步強調實驗注意事項:⒈單擺懸點要用夾子固定，實驗時必須保證擺角小于10°，并采用質量大、體積小的擺球。⒉不能讓單擺做圓錐擺，必須在同一豎直平面內擺動。⒊至少比較5至6次周期與其它物理量的關系。

5.分析和論證

A組結論:周期T與振幅無關，T-A圖像為一直線。

B組結論:周期T與質量無關，T-m圖像為一直線。

C組結論:周期T與擺長有關，其關系可能是T∝1;T∝12;T∝1。

D組結論:周期T與單擺所受引力(重力加速度)有關。

學生分組實驗結束后，用課件直觀地、清晰地演示給學生看。

6.實驗評估與交流

影響單擺振動周期的因素:

①單擺振動周期與振幅無關——等時性。

②單擺振動周期與擺球的質量無關。

③單擺振動周期與擺長有關，擺長越長、周期越大。

④單擺振動周期與重力加速度有關，重力加速度越大，周期越小。

荷蘭物理學家惠更斯研究了單擺的振動現象，發現單擺的振動周期跟擺長的平方根成正比，跟重力加速度的平方根成反比，并且確定的單擺周期公式:T=2πlg。

三、作業

完成本次實驗的《探究報告》，并在報告中對自己所選實驗的探究過程進行評估，為下一節的學習做準備。

教學設計后記

在以上設計中，筆者力求體現“以學生發展為本”的教學理念，突出物理學科以實驗為基礎的特征，積極倡導“自主實驗探索”的學習方式，讓學生在開放而富有創新活力的氛圍中學習，從而落實學生的主體地位，促進學生主動自主學習。

本內容的設計遵循當前高中《物理》課程標準的理念，并充分考慮到學生科學素養的培養以及創新精神和實踐能力的體現。對于高二學生而言，創新精神主要體現在創新意識與創造性思維上，而上述兩者往往始于好奇與疑問。于是，在教學設計時，我們充分考慮到怎樣引導學生求異質疑、如何創設發現問題和應用知識解決問題的情境，并創設了師生互動、生生互動、探究學習、合作學習的情境，引導學生發現問題，提出問題，并通過學生的探究尋找解決問題的途徑。這樣，既有效地促進了學生參與教學活動、主動學習、自主建構知識，又能充分發揮教師的指導作用。

(欄目編輯張正嚴)