2.2 专题 探究弹簧振子的运动及其周期 教学设计-2023-2024学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

探究弹簧振子的运动及其周期 一、使用教材 人教版高中《物理》（2019 年版）选择性必修一第二章《机械振动》及《课题研究》。 二、实验器材 自制竖直弹簧振子演示器（含铁架台、水平仪、线性运动传感器、数据采集器等）、劲度系数不同的弹簧若干、槽码若干。 三、实验创新点 1.本实验可通过描绘弹簧振子的位移-时间图像，从而很方便的验证弹簧振子的运动为简谐振动。 2.用线性运动传感器进行弹簧振子周期的测量，方便、精度高。 四、实验原理 1.通过线性运动传感器采集振子的位置随时间变化的信息，可描绘出振子的位移-时间图像。利用正弦曲线拟合，可判断弹簧振子的运动是否为简谐振动。 2.通过控制变量法结合图像法处理数据，探究弹簧振子周期与振幅、重物质量、弹簧劲度系数的关系。 3.传统实验中，对弹簧振子周期的测量是使用秒表测 30~50 次全振动的时间，再计算得出周期。一是多次全振动后弹簧振子的振幅也会因阻力作用显著减小，测量会有较大误差；二是学生需要在振子每次经过平衡位置时均计数一次，次数多了容易读错。 用线性运动传感器记录振子的位移-时间图像，利用设置好的表格记录数据可直接计算出周期。因为线性运动传感器精度高，可有效避免上述的问题。 4.使用托盘天平测出振子的质量。 5.利用胡克定律测得各个弹簧的劲度系数。 第 1 页 共 6 页 五、实验教学目标 1.物理观念：知道弹簧振子的运动是简谐运动，满足简谐运动的特点。 2.科学思维：通过控制变量法分析得到弹簧振子周期与振幅、振动重物的质量、弹簧劲度系数的关系，并得出弹簧振子的周期公式。 3.科学探究：通过实验设计，参与实验使学生形成正确物理观念的同时，科学思维素养也能得到发展。 六、实验教学内容 1.描绘弹簧振子的位移-时间图像，并验证弹簧振子的运动是简谐运动。 2.探究弹簧振子的周期与振幅的关系。 3.探究弹簧振子的周期与振动重物质量的关系。 4.探究弹簧振子的周期与弹簧劲度系数的关系。 七、实验教学过程 （一）实验步骤： 1.使用实验装置，将振子提起到一定高度释放，通过线性运动传感器、数据采集器描绘出振子的 x-t 图像，利用正弦曲线拟合，判断弹簧振子的运动是否为简谐振动。 2.保持振子质量、弹簧不变，改变振子振幅，通过振子的 x-t 图像，计算出振子的周期，并观察弹簧振子周期随振幅如何变化。 3.保持弹簧不变，改变振动重物的质量，通过 x-t 图像，计算出振子的周期，观察弹簧振子周期随振动重物的质量如何变化。改变振动重物的质量多测几组，记录对应的振动重物的质量、周期。录入数据后， 通过设置好的图表，计算机软件自动绘出图像，探究 T 与 m 的定量关系。 4.保持振动重物的质量不变，更换劲度系数不同的弹簧，观察弹簧振子周期随弹簧劲度系数如何变化。更换弹簧多测几组，记录对应的弹簧劲度系数、周期。录入数据后，通过设置好的图表，计算机软件自动图像，从而探究 T 与 k 的定量关系。 第 2 页 共 6 页 （二）数据处理： 1.弹簧振子的 x-t 图像为正弦曲线，弹簧振子的运动是简谐振动。 2.弹簧振子的周期与振幅无关。 3.弹簧振子的周期与成正比。 第 3 页 共 6 页 4.弹簧振子的周期与成正比。 第 4 页 共 6 页 实验结论：弹簧振子做简谐运动的周期跟振子质量的平方根成正比，跟弹簧劲度系数的平方根成反比。 即： 5.探究比例系数 C。 实验结论：弹簧振子的周期公式 ： （三）误差分析： 1.空气阻力对振子运动产生影响，通过选择质量大、体积小的钩码来尽量避免，但无法完全消除空气阻力的干扰。 第 5 页 共 6 页 2.弹簧有自重，实验中尽量选质量小的弹簧、质量大的钩码来减小弹簧自重的影响。 3.弹簧上端固定不稳定，振子上下振动时，弹簧会晃动。 4.在记录的振子位移-时间图像中读取时间时，有读数误差。 八、实验效果评价 实验效果明显、操作简便、误差小；可使学生直观感受弹簧振子的运动是简谐运动，并使学生对周期公式的理解更深刻、更完整。丰富学生课外的科学探究活动，从而拓展学生的科学认知。 第 6 页 共 6 页 学科网（北京）股份有限公司 $$