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

本文围绕人教版选择性必修一“单摆”展开，承接简谐运动知识，为后续深入理解振动规律奠基。通过建立模型、实验探究等环节，培养学生物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任等核心素养。 该设计亮点在于融合现代信息技术与多种实验，采用多种教法。从学生层面提升探究能力，为教师提供清晰授课路径，有效突破教学难点，增强课堂互动性。

贵州省黎平县第一民族中学 文明 勤奋 求是 创新 第 4 节 单摆 教学设计 贵州省黎平县第一民族中学 郭凯 课程 基本 信息 学段 高中 学科 物理 年级 高二 教材版本 人教版（2019）选择性必修一 课型 新授课 教材章节 第二章 机械振动 课题 第四节 单摆 2.4 单摆 课程标准 1.2.2 通过实验，探究单摆的周期与摆长的定量关系。知道单摆周期与摆长、重力加速度的关系。会用单摆测量重力加速度的大小。 教学内容 分析 在学习单摆之前，学生学习了简谐运动及其图像，简谐运动的振幅、周期、频率以及回复力和能量等内容，本节是简谐运动的应用实例。通过学习受力和运动情况均较为复杂的单摆，促进学生对简谐运动规律的进一步理解和应用，丰富学生的运动与相互作用观念。教材以“单摆的摆动是否为简谐运动？”作为问题启发学生思考，通过对单摆回复力的分析推导和“做一做”观察墨汁图样的实验，丰富了学生的学习经历和知识形成过程。通过对较为复杂的单摆的相关问题进行分析和推理，促进学生科学思维的发展。探究单摆周期与摆长的关系时，先用控制变量法定性研究，再用图像法处理数据获得定量结果，提升学生科学探究的能力。 本节教学的重点是对单摆运动规律和单摆周期公式的探究。单摆是简谐运动的典型模型之一，也是丰富学生运动与相互作用观的重要知识载体。本节的点在于对单摆回复力的判定以及对小角度的近似处理，虽然教材在必修模块已渗透极限思维，但大部分学生对小角度的近似处理缺少经验，还会存在学习障碍。 单摆是简谐运动的典型应用实例，是对简谐运动规律的进一步理解和应用，能丰富学生的运动与相互作用观念。 学情分析 （1）学生思维基础 学生已经初步有了探究事物的一般方法，即“是什么？—怎么样？—为什么？”的思维方法。依据新课程重视“过程与方法”的教学理念和高二学生由直观相识向逻辑推理、试验推理过渡阶段的相识特点，本设计中就通过创设问题情景，激励学生自己提出想要探讨的问题。 （2）学生心理特征 本节课授课的对象是高二的学生，它们对事物的认识已经上升到较为理性的阶段，不仅仅停留在表象上，更加关心的是现象背后的本质原因，喜欢探究，因果认识兴趣浓厚，分析问题的能力有所提升。 （3）学生的基础知识 在学习单摆之前，学生学习了简谐运动及其图像，简谐运动的振幅、周期、频率以及回复力和能量等内容，本节是简谐运动的应用实例。 （4）学生的认知困难 学生初次接触单摆，不善于利用等效摆长解释单摆现象，对于摆长的概念理解得不够透彻。对于近似法处理回复力问题存在困难。由于周期与摆长的二次方根成正比，对于学生而言比较抽象，在猜测上存在一定的思维障碍。 教学目标 物理观念： 1.知道单摆的回复力。 2.知道单摆的周期与摆长、重力加速度的关系。 科学思维： 1.知道单摆是一种理想化模型，理解单摆模型的条件，能将实际问题中的对象和过程转化为单摆模型。 2.能通过理论推导，判定单摆小角度振动时的运动特点。 科学探究： 1.能根据控制变量法去设计实验探究影响单摆周期的因素。 2.在探究单摆的周期与摆长的定量关系时，能分析数据、发现规律、形成合理的结论，能用已有的物理知识解释相关现象。 科学态度与责任： 1.学会从物理的角度去研究、分析问题，将物理与实际生活相联系。 2.通过实验分析、探究，培养严谨的科学研究态度。 3.了解人类计时仪器的发展史，体会科学对人类的生活提高和文明进步的重要推动作用。 教学 重难点 1.教学重点：对单摆运动规律及单摆周期公式的探究。 2.教学难点：对单摆回复力的推导过程。 教法 与 学法 教法：情景教学法、讲授式教学法、问题探究式教学法、任务驱动法、启发式教学法、直观演示法等。 学法：讨论法、练习法、观察法、参与互动法、自主合作探究学习法、类比法、查阅资料法等。 教学准备 希沃白板课件、单摆振动图像演示器、单摆波演示仪、单摆球组及支架套装、计算机数表软件 excel绘图软件，计算机轨迹追踪软件Tracker软件，安装有phyphox软件的智能手机。 学生学习任务单。 教学策略 学习进阶理论指导下本节课采用：训练与练习策略、演绎策略、归纳策略、问题链启发式策略、探究策略、教学评一体化教学策略等。 教学流程 设计思路 教学过程 任务 活动 学习内容与教师活动 学生任务/活动设计 设计意图及对应目标达成 任务一： 创设物理情境，建立单摆模型 活动1 简化秋千运动，提炼单摆模型 摆动的钟摆、荡起的秋千，它们在平衡位置附近做往复运动，这种运动是不是简谐运动呢？ 提出问题：应该如何研究这类运动？ 提出问题：如何简化秋千的运动？ 问题链的设计引导学生思考，学生根据自己的所见所闻尝试回答问题，并与其他同学交流。 列举生活中的真实情境，从情境中发现和提炼问题，体现问题研究的价值和意义，展现物理知识与实际生活的联系。 帮助学生建立单摆概念。 问题链： 1.绳球组合从受力和能量转化的角度分析，怎样的装置最简单？ 2.忽略了次要因素， 突出事物本质， 绳球组合构成的装置需要满足什么条件？ 学生通过建立单摆模型，理解单摆的条件，体会建构物理模型的思维方法，提高通过模型建构来研究实际问题的能力。 任务二：探究单摆的运动规律 活动2 理论推导：单摆的回复力特点 思考：单摆振动的运动性质是简谐运动吗？ 讨论交流：用什么方法探究单摆的振动是否为简谐运动？ 思考：单摆平衡位置在哪？哪个力提供回复力？ （1）平衡位置：最低点O （2）受力分析:如图 （3）回复力来源：重力沿切线方向的分力G2 提出问题：是不是在某种特定的条件下，回复力会满足 F = - kx？ 即时练习： 学生思考并交流回答。 问题链的设计引导学生思考，学生根据自己的所见所闻尝试回答问题，并与其他同学交流。 结合回复力的概念，对摆球进行受力分析，画出受力分析。 学生思考答案并与其他同学交流。 学生通过所学知识进行回答并交流。 直观数学知识的呈现，让学生直观感受近似处理的方法。 数学规律的表格化呈现，让学生直观感受近似处理的数学依据。 学生根据提示一步步分析得出单摆回复力规律。 学生思考并回答。 引导学生学会建立物理模型解决问题。 问题链： 1.单摆是否为简谐运动？ 2.能否给出自己的观点以证据支撑？ 通过对摆球的受力分析，明确单摆回复力的来源。提高学生自主分析问能力。 帮助学生建立完整的知识系统。 通过真实图片直观展示小球的运动情况，方便学生发现、理解小角度下的近似关系，减小数理关系推导的难度，从而突破本节课的教学难点。 引导学生学会用数学建模的方法逐步分析得出单摆回复力规律。 给学生留白，学生及时巩固与思考，并在思考中进行拓展和升华，让知识内化。 活动3 实验探究：单摆的运动图像 如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即振动图像（x-t图像）是一条正弦曲线，这样的振动叫做简谐振动： 思考：我们如何设计实验进行验证图像检验单摆运动是简谐运动？ 如图，细线下悬挂一除去柱塞的注射器，其内装上墨汁。注射器摆动时，沿垂直摆动方向匀速拖动木板，观察注射器喷出的墨迹图像。（视频演示） 得到图像后，怎么验证单摆的振动图像是否为正弦函数图像？ 第一步：假定图像为正弦曲线，测量振幅与周期，写出正弦函数表达式。 第二步：表达式计时开始位移为0，随后位移增加并为正；将每一个点的位移时间（测量值）数值代入表达式中，比较测量值与函数值是否相等，若可视相等，则为正弦曲线。 （选做实验1） 单摆振动图像演示器 （选做实验2） 轨迹追踪软件Tracker定量分析 学生设计实验，并与其他同学交流。 观察视频演示。观察单摆的位移时间图像。 学生回答实验数据分析方法并与其他同学交流。 教师演示，学生观察学习并思考。 教师操作，学生观察学习并思考。 引导学生层层递进学习。 引导学生设计实验，培养学生实验设计能力。 通过观察实验，让结论更加直观，便于学生理解记忆。 理清实验分析思路。 改进教材实验装置，直观展示单摆的振动图像，丰富学生的感性认识。 应用软件技术辅助物理实验观察和分析，为科学探究论证过程提供证据支持，展现现代信息技术对物理研究和学习的重要作用。 任务三：探究单摆的周期影响因素 活动4 定性实验：探究单摆周期的影响因素 演示蛇形摆振动情况 提出问题：单摆的周期可能跟哪些因素有关呢？ 问题1：你推测单摆周期可能跟什么因素有关？ 问题2：如果想研究单摆周期T跟摆球质量m、摆长l振幅A之间的关系，需要用什么方法进行研究？说说你的研究思路。 教师演示，学生观察并思考。 问题链的设计引导学生思考，学生根据自己的所见所闻尝试回答问题，并与其他同学交流。 学生分组实验。 创设新的物理情境，让学生从新情境中发现和提炼新问题,引导学生对单摆规律的进一步探究。 结合示意图进行猜想，使猜想有理可依。 引导学生学会合理设计实验。 学生通过实验设计、操作，掌握科学探究的方法，提高合作能力、表达能力以及知识归纳能力。 活动5 定量实验：探究单摆周期与摆长关系 【设计实验】请根据如下问题设计实验。 1.如果让你设计一个实验，你认为应该首先注意什么问题？ 2.你认为如何测量摆长才较为准确？ 3.你认为如何测量周期才较为准确？ 4.在探究周期和摆长关系的过程中，你认为如何更加形象直观的反映二者关系？ 待学生回答交流会，总结实验思路。 提出问题：如何进行实验物理量测量？ 测周期：把单摆从平衡位置拉开一个角度（θ＜5o）放开它。 用秒表测量单摆完成30次全振动（或50次）所用的时间t，求出完成一次全振动所需要的时间，这个平均时间就是单摆的周期。 （选做实验3） 用光电门计数的创新性实验 实验数据处理： 提出问题：如何分析获得的实验数据？ 进一步猜想：单摆周期是否与摆长的平方、二次方根成正比？ 请同学们阅读课文，总结单摆周期规律。 教师总结单摆周期规律：荷兰 物理学家 惠更斯 （1629-1695）通过实验进一步得到： 单摆周期公式的发现，为人类利用简谐运动定量计时提供了可能，并以此为基础发明了真正可持续运转的时钟。 学生根据实验提示设计实验方案，重点放在物理量的测量方面，并与其他同学交流。 学生尝试对实验数据进行分析。 数据汇总，引导学生猜想单摆周期与摆长到底有怎样的关系。 猜想1： 猜想2： 猜想3： 猜想4： …… 学生阅读课本，归纳相关规律。 学生在教师的介绍中感受我国在此领域的成就。 降低实验设计难度，引导学生正确设计实验。 优化实验装置，减小实验测量误差，增加学生分组实验的操作便捷性，减小实验探究的难度。 提高实验数据分析的条理性。利用excel软件对数据进行处理，使结果直观明了，学会用excel软件分析和处理实验数据。 在数据处理分析的过程中，学生经历猜想——验证——再猜想——再验证的分析论证过程，引导学生依照实验数据运用逻辑推理确定物理量之间的关系，发展依据证据、运用逻辑和现有知识进行科学论证和解释的能力。 培养学生阅读归纳能力。 在实验基础上，总结得出公式，显得更加顺其自然，体现物理学科的实验性质，激发学习兴趣并传达了严谨的物理思维。 渗透物理学史的教育，引导学生了解人类计时仪器的发展史，体会科学对人类的生活提高和文明进步的重要推动作用。 增强同学们的民族自豪感的家国情怀。 学以致用：揭秘蛇形摆的摆长秘密 用所学新知识解释生活现象，学会从物理的角度去研究、分析问题，将物理与实际生活相联系。 拓展延伸 一摆长为L的单摆,在悬点正下方5L/9处有一钉子，这个单摆的周期应该怎么算？ 学生在教师的引导下进行分析和思考，并尝试计算。 以此类推，由单摆拓展到钉摆，再到圆锥摆，再到类单摆模型的思考，在练习中逐步思考和体会。 在以上拓展的基础上，进一步思考摆长l和g的变化引起的单摆周期的变化。 以点带面，在拓展延伸中，引导学生进行更深入的思考 ，培养学生的物理核心素养和高品质的可发展思维。 课后活动：利用软件测量本地重力加速度 将手机制作成一个单摆，利用手机自带传感器自动测出手机摆动的周期和频率。根据输入的摆长，手机物理工坊软件能根据单摆公式自动计算出当地的重力加速度。 通过课后实践活动，引导学生将所学知识应用于解决实际生产生活中的问题，在解决问题中进一步提高探究能力、增强实践意识，促进物理学科核心素养的形成。 典例分析 学生练习，教师点拨。 观看“天宫课堂”第三课中天地互动环节“机械钟表和电子钟表在太空还 能使用吗？”片段 及时巩固，促成课堂知识的升华。 单摆的扩展和挖掘，结合高中生身心发展特点和认知规律把 思政元素融入物理教学中。 课堂小结 板书设计 作业与拓展学习设计 1.在探究单摆振动周期的过程中，你是怎样测量单摆周期的？为什么要这么测量？ 2.周期是2s的单摆叫秒摆，秒摆的摆长是多少？把一个地球上的秒摆拿到月球上去，已知月球上的自由落体加速度为1.6m/s2，它在月球上做50次全振动要用多少时间？ 3.将力传感器连接到计算机上就可以测量快速变化的力。图甲中O点为单摆的固定悬点，现将小摆球(可视为质点)拉至A点，此时细线处于张紧状态，释放摆球，则摆球将在竖直平面内的A、B、C之间来回摆动，其中B点为运动中的最低位置，∠AOB＝∠COB＝θ，θ小于10°且是未知量．图乙表示由计算机得到的细线对摆球的拉力F的大小随时间t变化的曲线，且图中t＝0时刻为摆球从A点开始运动的时刻．试根据力学规律和题中(包括图中)所给的信息，求摆球的振动周期和摆长．(g取10 m/s2) 课堂评价 依托于大单元，本课时日常学习评价通常有四种方式：课堂问答、书面评语、自我评价和小组评价、课时作业测试评价。比如根据学生课堂表现，采取课堂提问和观察关注学生表现进行评价，具体从课堂兴趣态度、实验能力、表达表现、结果解释四个方面进行赋分评价，对学生进行评价。批阅作业，进行给学生反馈等。 创新点 1.利用现代信息技术观察、分析单摆的运动规律，实现轨迹可追踪化、规律可视化、分析定量化，依托各类实验和信息技术手段为分析论证过程提供证据支持。 2.注重学生的课堂体验，尊重学生学习的主体性。创设真实情境，依托情境提出、发现问题，激发学生学习的兴趣；演示实验与分组实验相结合，提高学生学习参与的主动性。 教学反思 基于单元的设计与实施背景，本节课挖掘课程思政的素材和社会生产的热点问题以及国家科技发展的热点问题、前沿科技与技术，培养学生的民族自豪感和自信心，提升当代高中学生国家主人翁的意识。 学习进阶理论指导下的循环递进式教学能够激发学生的学习热情，符合学生的认识规律；但是在运用此方式时，注意任务的进阶性设计和逻辑的严密性，让学生的学习知识的时候能够有效的将知识进行内化，其中本节课的定性到定量是非常具有可行的有效尝试，达到深度学习的目的。在教学过程中应有意向学生渗透物理学的常用研究方法。例如理想实验法、控制变量法、转换法等。学生如果对物理问题的研究方法有了一定的了解，将对物理知识领会的 更加深刻，同时也学到了一些研究物理问题的思维方法，增强了学习物理的能力。 情景教学能够激发学生学习兴趣，具有趣味性和熟悉感，也是学生学习的起点和落脚点。加强学生的书本知识和生活生产的紧密相连，作为科学学科重要的一门课程，培养学生的严谨的科学探究和实验的精神，有效的开展课堂分组实验，是非常有效的方法。在“因材施教 ”、“以学定教 ”、“理解性学习 ”、“深度学习 ”、“学习性评价 ”、“逆向设计 ”等一系列先进教学 理念，在传统教学基础上，兼容并包，逐渐沉淀为“教学评一体化设计 ”，更能够对课堂进行有效开展。“教学评一体化设计 ”的达标评价、优质问题、活动设计、嵌入评价、反思总结等核心元素贯穿整个教师的教和学生的学整个过程中。成为本节课课堂与教学的重要组成部分，但在本节课的具体落实上尚有值得商榷和仔细斟酌的地方。 在本节课重难点内容突破的地方，查阅资料进行了教具的突破，网络优质教具的选择以及传统实验与智能化信息化教具的深度融合方面在本节课中得到了很好的体现和落实， 虽然过程艰辛和曲折，但是乐在其中，趣味无穷。著名教育家陶行知说：好的先生不是教书，不是教学生，乃是教学生学。结合学科素养的育人本位，所以本节课在任务驱动下设定了一系列的学生活动，充分体现了学生主体，教师主导的课堂理念。 不做教书匠，要做教育家。在改革中思考，在思考中前进。边前进，边反思，设计好每节课。 第 1 页 共 13 页 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $$