2.4 基于手机传感器对单摆测重力加速度实验的改进 教学设计 -2023-2024学年高二上学期物理教科版（2019）选择性必修第一册

教科版高中物理选择性必修一第二章第四节：基于手机传感器对单摆测重力加速度实验的改进 各位老师大家好，我是××中学的物理老师××，我的实验说课题目是《基于手机传感器对单摆测重力加速度实验的改进》，我将从以下七个方面展开我的说课。 一、使用教材 本节内容选自教科版高中物理选择性必修一第二章第四节——实验：用单摆测重力加速度；本节是高一下学生学习了单摆的有关知识后的实验探究，也是继自由落体运动探究重力加速度后的又一重要物理实验。 二、实验教学目标 根据物理课程标准要求结合本节教学内容，为了培养学生的物理核心素养，我设定了以下教学目标： （一）物理观念 掌握用单摆测量重力加速度的原理、了解手机传感器中磁力计的使用。 （二）科学思维 1.认识实验误差不可避免，培养学生尽量减少实验误差的意识。 2.培养学生在物理实验分析处理数据时，能用多种方法进行处理。 （三）科学探究 1.学会用所给实验器材设计合理的实验方案。 2.了解实验中测量工具的使用方法，能够规范使用。 （四）科学态度和责任 1.培养学生实事求是的科学态度，培养团队协作的精神。 2.感受现代科技技术在高中物理实验的应用，培养学生关注科学发展习惯。 三、实验器材 本实验器材主要包括：单摆由铁架台、小铁球、细线组成；手机传感器和环形磁铁搭配使用，用来测量周期；游标卡尺测量小球的直径、刻度尺、三角板用来测量悬挂后单摆的细线长度。 四、实验改进要点 本实验改进主要包括3个方面： （一）变单线摆为双线摆，单线摆不能保证小球摆动动时在同一竖直平面内摆动，从而对实验结果产生影响，所以本实验将单线摆改进为V字形双线摆，这样可以保证小球在同一平面内摆动。 （二）用手机传感器和环形磁铁结合测量单摆周期：传统实验用秒表测量周期时，需要一定的反应时间，容易出现周期计数错误；改进后将磁铁吸在小球底端，将手机传感器放置在单摆释放点下方，打开手机磁力传感器，每回到原位置，磁力计就会出现波峰，相邻波峰之间的时间间隔就为一个周期。 （三）改变铁架台之间的间距改变单摆摆长：传统实验改变摆长需要改变细线的长度，改进后只需改变铁架台的间距就可实现改变单摆的摆长，大大提高了实验效率。 五、实验原理 本实验利用单摆测重力加速度的原理是利用单摆的周期公式：，可知；实验中主要需要测量两个物理量：周期T和摆长L，本实验中双线摆的摆长是小球的半径加上小球上端到悬点的竖直高度；周期T利用手机传感器测量的波形图上波峰与波峰的时间间隔来测量。 六、实验教学内容和过程 （一）实验教学内容主要分为四个部分：创设情景提问可不可以利用单摆的运动规律测量重力加速度？引导学生讨论得出本节实验原理；再引导学生根据提供的实验器材，讨论交流设计出合理的实验方案；按照实验方案进行实验，并记录相应的实验数据；最后引导学生用计算法和图像法处理实验数据得出实验结果，并分析实验中存在的误差。 （二）学生实验过程 现在我们来看学生的实验操作过程。 1.第一组实验： （1）游标卡尺测量小球直径d； （2）测量摆线长度l； （3）测出两个悬点的距离s； （4）将手机放在桌面，将摆拉到手机边缘上方静止释放，手机传感器开始工作，得到和时间有关的图像； （5）选取n个连续波峰,记录第一个到最后一个波峰出现时间差。 2.第二组实验： （1）改变铁架台间距，从而改变摆长； （2）测出改变后的间距； （3）重复第一组实验过程，记录实验数据。 （三）实验数据处理说明： 1.实验得到手机传感器上的波形图，在手机上点击选取波峰就会显示对应时刻，选择n个连续波峰，记录第一个到最后一个的时间差，除以相应的周期个数就可算出周期大小； 2.多次改变单摆摆长，记录实验数据，将所测数据填入表格，将数据带入摆长和周期计算公式，得出每组摆长和周期，再带入重力加速度计算公式即可得出重力加速度大小； 3.引导学生用计算法和图像法对数据进行处理； 计算法：求出重力加速度的平均值即可作为本地区的重力加速度。 图像法：把数据导入电脑表格，利用表格画出周期平方和摆长（T2-L）的图像，利用图像斜率就可得出重力加速度。 4.误差分析：无论是计算法还是图像法，本实验所测重力加速度和真实值存在差异，引导学生进行误差分析，本实验误差产生原因大致有五个方面： （1）摆角θ很小, 用θ的弧度值近似代替sinθ的值； （2）摆线质量比摆球质量小很多, 因此认为摆线质量为零，并且认为摆线不可伸长； （3）忽略了空气阻力； （4）摆长测量、周期测量过程中仍存在一定误差； （5）单摆小球低端加一个环形磁铁，因磁铁对重心的影响，从而影响摆长。 七、实验教学效果评价 1.本实验利用手机传感器简化了周期的测量，使实验更快捷、准确； 2.借助excel画出图像，使图像数据更准确； 3.通过手机传感器的使用，让学生感受到现代技术在物理中的应用，有利于培养学生关注科学发展的意识，也能敦促学生关心身边科学技术的应用，从而提高学生的物理核心素养。 1 学科网（北京）股份有限公司 $$