2.4单摆 教学设计-2024-2025学年高二上学期物理人教版（2019）选择性必修第一册

课 题 单摆 教 材 分 析 《单摆》是继简谐运动之后的重要内容。学生在学习单摆之前已经系统学习了简谐运动，单摆是简谐运动的一个具体实例应用，对单摆的研究有助于学生巩固和深化对简谐运动的理解，起到了承上启下的作用。教材不仅从理论上对单摆的运动进行分析，还注重通过实验演示来验证单摆的运动规律。例如，通过实验观察单摆的振动轨迹、测量单摆的周期等，让学生能够更直观地理解单摆的运动特征，培养学生的实验观察能力和分析能力。 学 情 分 析 学生在学习《单摆》之前，已经对简谐运动有了一定的认识，了解简谐运动的特点、回复力特点以及运动规律等。这为理解单摆作为简谐运动的一个实例奠定了基础。他们也掌握了力的合成与分解、圆周运动等相关知识，能够对物体的受力情况进行分析，并运用牛顿运动定律解决问题，他们有一定的实验操作技能和数据分析能力，能够进行简单的实验设计、观察实验现象并记录数据，通过对数据的分析得出结论。 基 于 核 心 素 养 教 学 目 标 分 析 （一）物理观念 1.通过对单摆的学习，学生能够深入理解简谐运动这一重要的物理模型，明确单摆是简谐运动的一个具体实例，进一步巩固对简谐运动的位移、速度、加速度、回复力等物理量的变化规律的认识。 2.学生掌握单摆的周期公式，认识到单摆的周期与摆长和重力加速度有关，建立起单摆运动与相关物理量之间的联系，形成系统的物理观念。 （二）科学思维 1.在分析单摆的运动过程中，学生需要运用推理、分析、归纳等科学思维方法。例如，通过对单摆回复力的分析，推导出单摆做简谐运动的条件，培养学生的逻辑推理能力。 2.在探究单摆周期与摆长、重力加速度等因素的关系时，学生运用控制变量法进行实验设计和数据分析，锻炼科学思维的严密性和准确性。 3.学生对单摆运动的抽象和建模过程，有助于培养其建立物理模型的思维能力，能够从复杂的实际现象中提取关键要素，构建简化的物理模型来解决问题。 （三）科学探究 围绕单摆的位移时间图像特点，引导学生进行合理的猜想与假设，并设计实验探究，在这个过程中，培养学生提出问题、设计实验、进行实验操作、收集和分析数据、得出结论的科学探究能力。 （四）科学态度与责任 1.在学习单摆的过程中，学生体会到物理知识与实际生活的紧密联系，如摆钟的工作原理等，培养学生对科学的兴趣和热爱，以及将科学知识应用于实际生活的意识。 2.了解单摆在科学研究和工程技术中的应用，认识到物理学对社会发展的重要贡献，激发学生的社会责任感和使命感，为将来运用科学知识服务社会奠定基础。 教 学 重 难 点 与教 学策 略 内容 学生常见问题表现 教学方法与策略 教学重点 1.单摆的模型构建，及其单摆做简谐运动的条件 单摆只有在摆角很小时才近似做简谐运动，这一条件的理解需要学生具备一定的数学推导能力和物理思维能力 在教学中，可以通过动画演示、实验探究等方式，帮助学生直观地理解单摆的运动特点，引导学生进行数学推导，从而加深对这一条件的理解。 2.单摆周期的影响因数，及其公式的理解应用。 学生对课本上单摆公式的得出不容易理解。 借助前面学习的“圆频率”，通过简谐运动与圆周运动的特定关系，推导公式的得出过程。 教学难点 1.单摆回复力的分析 单摆回复力是由摆球重力沿圆弧切线方向的分力提供的，学生在分析回复力时容易出现错误。 通过受力分析图、实例讲解等方式，帮助学生准确地分析单摆的受力情况，理解回复力。 资源与工具 铁架台、小球、细线、电动机、墨水、注射器、白纸等 教学流程图 课前准备 分析学情，了解学生的问题所在和提出的问题 课中学习 问题解决 问题1 问题2 问题3 如何建立模型？ 单摆是简谐运动吗？ 单摆的回复力？ 问题4 磁铁快插与慢插区别 合理猜想 设计实验 概括规律 目标达成 学生小结 自评、互评，完成课后作业 教学流程设计 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 创 设 问 题 情 景 引 课 随着生活水平的不断提高，越来越多的人们都会选择节假日一家人外出旅游，其实很多小朋友对于风景并不感兴趣，你知道小朋友最喜欢去哪个地方吗？ 问1：你去过游乐场吗？ 问2：你坐过大摆锤吗？ 问3：你荡过秋千吗？ 问3：在生活中你见过这个吗？ 既然很多同学都没见过摆钟，那大家就认真观察这个摆钟并思考：摆动的摆钟、荡起的秋千、摇晃的大摆锤这些运动有什么共同之处？ 问4：这种运动听起来就感觉好复杂，我们该如何去研究这个复杂运动呢？ 在物理研究中，当我们面对复杂的实际问题时，我们可以通过构建物理模型来帮助我们更好的研究问题 既然这类运动的物理都被某个东西掉了起来，我们可以把这个东西简化成一条细绳，把物体简化成一个小球，绳子一端与小球相连，另一端固定在高处。 物理中，我们把这个模型称为：单摆 游乐场 去过 坐过 荡过 没见过 学生思考：这三种运动都是物理被某个东西吊起来，围绕某一位置左右摆动 思考 通过创设生活中的问题情景，把学生的注意力集中在大摆锤、荡秋千和钟摆这三种运动上，通过思考这三种运动的相同点，从而引导学生提出物理建模，从而构建出单摆模型。 问题引导，提出构建物理模型，得到单摆模型 基 于 新 课 内 容 设 置 问 题 驱 动 任 务 一、单摆 1.组成：细绳+小球 思考：单摆模型的细线和小球有要求没？ 2.特点 ①细线：不可伸缩、质量不计、长度远大于小球直径 ②小球：可视为质点（体积小，质量大） ③受力：不计一切阻力 根据单摆的特点，老师用注射器和细线也自制了一个简易的单摆，在注射器中加入红墨水，墨水在重力的作用下会往下滴，若此时让加有红墨水的注射器摆动起来 ，同时匀速拉动下方的白纸，会看到什么现象呢？（实验演示） 实验图像： 问：这个图大家熟悉吗？像大家前面刚学过的什么运动的位移时间图？ 追问：这个图很像正弦图像，那单摆的运动到底是不是简谐运动？怎么去证明？ 二、单摆的运动是否为简谐运动？（从回复力特点去证明） 问1：单摆的平衡位置在哪？ 问2：摆动过程中，小球受哪些力？ 问3：我们可以把重力沿径向和切向分解，由于单摆运动属于圆周运动，一定存在向心力，那它的向心力是多大呢？ 重力切向的分量mgsinθ，从效果上来看总是想让小球回复到平衡位置，所以单摆的回复力来源于重力的切向分量： 根据数学知识：当θ很小时 ①sinθ≈θ ②位移x≈弧长=L·θ 所以有： 又因为回复力方向总是与位移方向相反，所以有： 问题4：在摆角很小的情况下，单摆可视为简谐运动，而“周期”是用来描述简谐运动的一个重要物理量，单摆的周期跟哪些因素有关呢？ 问题5：有这么多影响因素，我们该如何去设计实验研究呢？ 实验1：控制摆长和质量相同，振幅不同 实验2：控制摆长和振幅相同，质量不同 实验3：控制质量和振幅相同，摆长不同 结论：单摆的周期与振幅和质量无关，它摆长有关，摆长越长，周期越大。 思考：上述实验表明了单摆周期与摆长的定性关系，那么二者之间有什么定量关系呢？ 小角度情况下，单摆的回复力满足： 根据牛顿第二定律： 单摆最大加速度的大小： 简谐运动和半径r=A的圆周运动是紧密相连接的（圆频率） 单摆的周期公式： 应用思考：摆钟怎么了 小明家从广州搬到了北京，搬家时把家里的摆钟也带去了。过了几天之后，小明发现摆钟的时间不准确了。校准后，过了几天又出现相同的情况，你知道这是为什么吗？摆钟变快还是变慢了？该怎么调整？ 学生思考 学生观看 简谐运动的位移时间图像就是正弦函数图像 证明回复力满足：F=-kx的形式。 最低点O 重力、拉力 F向=T-mgcosθ 学生猜想：振幅、质量、摆长等 控制变量 学生思考作答 让学生从单摆模型细线、小球和受力多方面去理解，从而得到单摆模型是一种理想化模型 还原课本教材实验“做一做”，通过自己做的这个实验器材，提升学生的学习兴趣。 通过图像跟正弦函数很像，猜测单摆可能是简谐运动，从而激发学生的兴趣，过渡到用回复力去证明。 通过问题引导学生一步步去分析单摆的回复力 从数学的小角度极限下，单摆的回复力满足F=-kx,通过图片的展示来让学生理解这个极限思想。从而得到结论： 摆角很小的单摆，可看作是简谐运动。 先引导学生作出猜想，然后设计实验，最后通过实验得到结论。 教材上的周期公式给出的很突兀，学生不容易理解。通过前面学习的圆频率，结合简谐运动和圆周运动的知识，简单推导得出了单摆的周期公式，让学生们对单摆的周期公式的得出具有新的认识。 对单摆公式的熟练应用 归 纳 梳 理 学 习 评 价 通过本节课的学习，你有哪些收获？ 梳理书写本节课的知识内容。 通过学生对知识的梳理，检查反馈学习情况。 作 业 设 计 基础作业：课本练习与应用1、3、4 个性作业：阅读任务《从日晷到原子钟》 巩固提升 板 书 设 计 以思维导图的方式展开，便于将琐碎知识系统化。 教 学 反 思 本节课采用问题引导的方式，激发学生的思考和探究欲望。学生较好地理解了单摆的概念、组成部分以及单摆做简谐运动的条件。通过实验演示和理论讲解，大部分学生能够掌握单摆的周期公式，并能进行简单的计算。但问题的设置应更加具有针对性和启发性。 在教学过程中，要更加关注学生的个体差异，鼓励学生积极提问和交流，及时了解学生的学习情况，调整教学策略。 上课后对课堂的反思和总结，便于进一步的完善教案环节。 2 学科网（北京）股份有限公司 $$