2.3 探究单摆周期的影响因素——与等效重力加速度的关系 教学设计 -2024-2025学年高二上学期物理教科版（2019）选择性必修第一册

教科版选择性必修第一册第二章第三节单摆——《探究单摆周期与重力加速度的关系》教学设计 1． 实验教学背景 1. 教材分析 本节选自高中物理教科版选择性必修第一册第二章机械振动第三节单摆，在普通高中物理课程标准中，用单摆测当地重力加速度属于必做实验。 2. 学情分析 学生在学习本节内容之前，已经学习了简谐振动、电场和等效场以及磁场等相关内容，具备思考并设计实验方案的基本能力。 2． 实验教学目标 1. 物理观念：进一步理解单摆周期的影响因素。 2. 科学思维：通过设计多组方案，集体探究每一种方案的可行性，集中完善，精益求精，培养学生严谨的科学思维。 3. 科学探究：体会提出问题、设计方案，实验验证的科学探究方法。 4. 科学态度与责任：培养学生合作探究意识，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度。 3． 实验教学内容 1. 提出问题：教材用单摆周期测重力加速的实验装置只可探究单摆周期与摆长的关系，无法探究周期与重力加速度的关系。想要探究单摆周期与重力加速度的关系，需要思考两个问题？如何测量周期以及如何改变重力加速度？ 2. 设计方案（实验原理） （1） 如何测量周期？ 教材中给出的测量方案是：当摆球通过某次平衡位置时，用停表开始计时，记录摆球通过平衡位置n次所用时间，从而计算出周期； 我的改进方案：用手机录制单摆摆动视频如图1，从视频当中的时间进度条中寻找第一次和第n次经过最低的时刻，从而计算出周期。这样改进的优势是可以更精准的定位单摆的位置，使周期的测量更准确。 图1 （2） 如何改变重力加速度？ 让学生讨论交流，设计方案；注重方案原理和实操的可行性。 方案一：改变离地高度，比如坐在直升机里边进行实验（难以在教学中实现，否定）。思考：可以在空间站中做单摆实验吗？（不可以） 方案二：在加速度为a0的匀变速的电梯中进行实验如图2，以电梯为参考系，单摆的加速度a=g+a0或a=g-a0（电梯变速时间太短且定量改变加速度环境难以实现，否定）； 方案三：加匀强磁场，若为带电小球，洛伦兹力指向圆心如图3，不改变周期（否定）；若为磁性小球，下方提供较大磁极（会有很大涡流，否定）； 方案四：用带电摆球，并加匀强电场如图4（用间距1m的平行板电容器，两极板加一万伏电压，带电小球的受到的电场力和重力相差两个数量级，重力加速度改变不明显，否定）； 方案五：提供竖直方向恒定可量化的风力（风洞实验，待定）； 方案六：选用不同倾角的光滑斜面改变重力加速度如图5； 最终，选用方案六探究单摆周期与加速度的关系。 图2 图3 图4 图5 想要完成本实验，需要攻克两个难点，一是如何提供光滑平面，我的选择是用游戏厅中的气旋冰球桌作为斜面，用气泵充当气源，在桌面上形成稳定气流；用玻璃片作为摆球，玻璃片悬浮在桌面上，摆动是认为是在光滑斜面上摆动。 图6正面 图7背面 二是如何确定斜面倾角？我的做法是将手机固定在桌面上，手机中的水平仪可反映此时斜面倾角， 3. 实验器材 气旋冰球桌、细线、玻璃片、气泵、手机。 4. 实验展示（见视频） 实验数据 15度10次40s 30度10次28s 45度10次24s 53度10次23s 60度10次21s 90度10次20s 角度（度） 15 30 45 53 60 90 周期（s） 4.0 2.8 2.4 2.3 2.1 2.0 （s2） 16 7.84 5.76 5.29 4.41 4 3.86 2 1.41 1.25 1.15 1 表1 数据处理 表2 图像是一条延长后几乎过原点倾斜的直线，说明周期与加速度的二分之一次方成正比。 4． 实验效果反思 创新点： 1.以问题带动学生设计实验方案，考虑每一种实验方案的理论依据是否正确和实际操作是否可行，锻炼了学生严谨的科学思维，又将设计的方案转变成实验成果，培养了学生敢于动手、敢于创新和实事求是的科学态度。 2.攻克了改变重力加速度的难点，游乐场里边的气旋冰球桌表面有很多分布均匀的类似气垫导轨的气孔，将其作为斜面，同时用气垫导轨的气泵在斜面体上提供稳定气流；用玻璃片作为摆球，玻璃片有以下优点：表面光滑，可以减少空气阻力；承载气流面积大，能够更好的悬浮；具有一定重量，能够稳定摆动；侧边狭窄锋利，割开空气进一步减少空气阻力。 3.用手机的水平仪测量斜面倾角，用录制的视频中的时间进度条来测量单摆的周期，并将所有的数据运用信息技术手段进行拟合，从而更加精确、更加直观的得到实验结果。 效果：图像是一条延长后几乎过原点倾斜的直线，说明周期与加速度的二分之一次方成正比。单摆的摆长为1m时，理论图像是一条斜率为4的正比例函数图像，我的测量值斜率为4.18，实验误差4.5%，在实验误差允许范围内，实验数据与理论推导完美吻合。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$