2.4 单摆 教学设计-2025-2026学年高二上学期物理人教版选择性必修第一册

该高中物理教学设计聚焦单摆的理想化模型、回复力（小角度近似处理）及周期规律，通过伽利略观察吊灯的物理史和生活摆动现象导入，类比弹簧振子模型引导学生建构单摆模型，搭建从已知到未知的学习支架。 特色在于深度融合核心素养，科学思维上通过类比建模（弹簧振子到单摆）和极限推理（小角度近似）培养模型建构与科学推理能力，科学探究中用沙摆实验观察图像、控制变量法探究周期影响因素、图像法处理数据，落实问题与证据要素。为教师提供可操作的实验与推理流程，帮助学生提升科学探究与建模能力，渗透物理史与生活应用培养科学态度与责任。

《单摆》教学设计 海口市第一中学 【课 题】单摆 【教学时间】40分钟 【教学对象】高二年级学生 【课 型】新授课 【教 材】高中物理人教版选择性必修一第二章第四节 【教材分析】 教材的 地位和作用 本节选自高中物理人教版选择性必修一第二章第四节，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，丰富学生的运动和相互作用物理观念。通过单摆受力特征的分析和推理以及单摆周期影响因素的实验探究，促进学生科学思维的发展。 【学生学情分析】 学生的思维基础 已经具备一定的逻辑思维和建模能力。 学生的知识基础 学生已经历弹簧振子理想化模型建构、简谐运动的运动学特征和受力特征的分析过程。 学生的能力基础 能够较为准确地描述物理现象，同时有一定的数据处理能力。 学生的认知困难 小角度的近似处理缺少经验，存在学习障碍。 【核心素养目标】 物理观念 通过单摆受力分析和运动分析，进行理论推导，培养学生的运动和相互作用物理观念。 科学思维 1.通过生活中情景建立单摆的定义，分析单摆模型的特点，知道单摆是理想化模型，培养学生模型建构的能力。 2.通过观察沙摆的实验，对比正弦函数图像，归纳出相关现象的特点即疑似简谐运动，进一步从受力的角度分析和推导，促进学生科学思维的发展。 3.在分析回复力时回顾向心力，加深对“效果力”的认知。 科学探究 1.探究单摆周期的影响因素时，能利用控制变量法初步找到单摆周期的影响因素和单摆周期和摆长的定性关系。 2.探究单摆周期和摆长的定量关系时，能分析数据、发现规律、能利用图像法处理数据，形成合理结论。 3.能用物理规律解释相关现象。 科学的态度与责任 1.通过伽利略观察吊灯的物理史体验物理来源于生活的物理思想，培养学生知识的迁移能力，让学生养成善于观察，勤于思考的科学探究精神。 2.通过对单摆周期与摆长定量研究，使学生逐步形成对科学本质的认识，体会物理学是人类有意识的探究而形成的对自然现象的描述和解释，是一项建立在观察和实验基础上的创造性工作。通过应用学到的知识正确解决生活和社会的实际问题，增强学生的成就感和责任感。 【教学重点】单摆的理想化模型、单摆回复力、单摆的周期 【教学难点】单摆回复力的小角度近似处理，渗透极限思维 教法 演示法 对于一些实验现象不是很明显、且操作有困难的实验，教师可以演示给学生观看，学生可以通过观察更直观的感受实验现象的变化，从而达到教学效果。 实验法 物理学是一门以实验为基础的课程，而物理实验是教学的重要内容和手段。本节课是通过实验来让学生直观的了解单摆的相关物理特性。 讲授法 讲授法是所有教学方式中使用最广泛的，通过讲授的方式，可以更加突出本节课的重难点，也可以串联本节课的教学内容，让学生更能理解知识。 学法 在教师的指导下通过实验、培养学生观察、分析、探究问题的能力、从实验中掌握科学研究方法。并利用已有的知识基础、将理论联系实际、并从直观现象中体会学习的乐趣，加强对学生发散思维的训练，从中形成良好的探究精神和科学素养。 教学用具 摆球组、单摆图像演示器、铅球、铁架、单摆、秒表、计算机 【教学方法】 【教学过程设计】 教学环节 教师活动 学生活动 设计意图 课 堂 导 入 故事引入： 在人类历史长河中，一直在尝试着去探索、掌握测量时间的方法。日晷、沙漏、水钟等都是古人发明用来测量时间的装置 讲述伽利略观察吊灯摆动，研究发现了摆的某种特性（等时性）为后来摆钟的发明奠定了理论基础 引导学生： 善于观察、勤于思考是科学探索的必备精神，同学们有没有想伽利略一样善于观察呢？在日常生活中存在那些摆动现象呢？ 引出新课： 秋千、钟摆、大摆锤都是我们生活中的摆动，让我们循着伽利略的脚步一起来探索摆动的奥秘吧 物理学是一门研究最一般的运动规律和物质基本结构的学科，对物理规律的研究往往都是从简单到复杂，为了研究摆动的特点，让我们来认识一个新的模型——绳球模型 学生聆听、思考 学生思考、交流 通过讲述人类对计时装置的研究历程，为后续为什么要研究单摆的周期做铺垫。 通过伽利略观察吊灯的物理史体验物理来源于生活的物理思想，培养学生知识的迁移能力，让学生养成善于观察，勤于思考的科学探究精神引导学生培养善于观察生活中物理现象的习惯 单 摆 单 摆 的 回 复 力 单 摆 的 周 期 引导学生： 在第一节的学习中为了研究机械振动提出了一种理想化模型——弹簧振子，它将小球弹簧模型进行了简化处理：弹簧质量与小球相比可以忽略、空气阻力可以忽略。 同样的，为了研究最简单的摆动，我们也将绳球模型进行更进一步的简化，那该怎么进行简化处理呢？ 总结： 细线一端固定在悬点，另一端系一个小球，如果细线的长度不可改变，细线的质量与小球相比可以忽略；球的直径与线的长度相比也可以忽略，这样的装置就叫做单摆 教师提问： 实际生活中并不存在单摆，但我们在研究过程中是可以将一些绳球组合看作是单摆的，以下哪些装置可以看作单摆呢？ 引导学生： 单摆来回地在最低点做往复运动也就是是一种机械振动。既然它是机械振动，那我们不妨思考一下单摆摆动时，摆球的运动是简谐运动吗？ 提问： 为什么是？你有什么证据能够证明它是简谐运动？ 演示实验： 将沙子装入沙摆，利用单摆图像演示器将沙摆的位置信息记录下来，观察位移随时间的变化规律 引导学生： 图像“貌似”正弦函数，并不够严谨，物理规律的研究总要进行严谨的实验和推导，现在让我们从更加严谨的受力角度去分析它是否是简谐运动吧 提问： ①单摆平衡位置在哪？ ②受到哪些力？ ③哪个力提供回复力？ 径向合力: T – mgcosθ = man(向心力) 切向合力： G2 = mgsinθ(回复力) 引导学生： F回=mgsinθ既不满足F=-kx又不指向。但刚刚的实验又说明它确实很符合简谐运动的特点。那么，是不是在某种特定的条件下，回复力会满足F=-kx？ 当＜5°时 则 教师提问： 单摆周期的研究对人类探索计时装置有十分重要的意义，那么单摆的周期可能与单摆的什么物理量有关呢？ 教师引导： 既然同学们认为可能与这些物理量有关，那我们应该采用什么方法来进行研究呢？ 演示实验： 教师提问： 通过这样的实验现象，你能得出什么结论吗？ 演示实验： 单摆波实验 分组实验： 单摆的周期究竟与摆长存在什么样的关系呢？让我们来进一步探究单摆周期与摆长的定量关系 注意事项： ①摆长的的测量：悬点到球心的距离L=l+r ②单摆的运动：小角度（θ＜50）摆动才是简谐运动 ③周期的测量：从经过平衡位置开始计时，再一次从同一方向经过平衡位置时间为T，数50T后停止计时，测量几次取平均值 教师总结： 荷兰物理学家惠更斯通过更详尽的研究，发现单摆做简谐运动的周期T与摆长L的二次方根成正比，与重力加速度g的二次方根成反比，与振幅、摆球质量无关，惠更斯确定了计算单摆周期的公式 学生聆听并回忆 学生思考、建立模型 ①轻质绳，质量集中于小球（质点） ②不计摩擦阻力和空气阻力 ③小球直径与摆线长比较可忽略 摆线不可伸长 学生思考并判断： 1、2、3、4、5都不能看作单摆，只有6可以 学生思考、回顾旧知 观察它的运动图像，只要它的x-t图像是正弦函数图像或者回复力有F=-kx的形式就能说明它是简谐运动 学生观察得出： x-t图像是正弦函数图像，说明它是简谐运动 学生观察、受力分析、总结得出： ①单摆平衡位置为最低点O ②作图 ③F回=mgsinθ 学生观察、理解： 振单摆运动回复力和位移关系 学生猜想： 摆角、振幅、摆长、摆球质量 学生回答： 控制变量法 学生观察并总结得出： ①质量不同，周期相同 ②振幅不同，周期相同 ③摆长不同，周期不同 学生观察得出结论： 单摆做简谐运动与摆球质量和振幅无关 学生观察实验规律： 各个单摆的摆长不一样，所以它们的周期也不一样 学生分组实验 教师和学生一同处理实验数据 学生通过回忆答出弹簧振子的概念，教师引导学生以此类比得出单摆模型的概念，总结单摆的特点并强调单摆是种理想化模型 通过对实际装置的观察、判断，进一步加深学生对单摆模型的认知，让学生能够将实际问题转化为单摆模型 通过观察x-t关系图象让学生初步认识到单摆的摆动是简谐运动，之后再从受力的角度前进一步论证单摆是简谐运动 在分析回复力时回顾向心力，加深对“效果力”的认知 利用极限思想对单摆进行小角度近似处理，让学生理解不是所有的单摆摆动都是简谐运动，只有在小角度摆动时单摆的运动才是简谐运动，加深学生对单摆做简谐运动这一物理观念的认知 通过提问加强学生对控制变量法的应用，提高学生科学探究能力 学生通过观察并讨论，总结出影响单摆周期的因素，促进学生科学思维的发展 通过对单摆波实验的观察，进一步体会单摆周期的影响因素为摆长 学生通过分组实验，促进学生之间的交流合作，增强动手实验能力，通过图像法处理数据获得定量结果，提升学生科学探究能力 学 以 致 用 某同学去哈尔滨旅游，在一家大型超市以高价购买了一台精致的摆钟，买的时候发现它走时很准。回到海口不到两天就走时相差一分多钟。于是大呼上当，心里极其气愤。但经过检查，摆钟并没有质量问题，那么你认为问题出在哪儿呢？应该怎么解决？ 巩固练习 对知识进行复习与巩固，加深对单摆运动的了解与应用。 课 堂 小 结 带领学生回顾本节课所做实验和各个实验表现出来的物理现象，帮助学生理解单摆的运动特点。 回顾实验和知识点 学生通过回顾本节课所学知识，将所有实验串联起来，形成自己的知识体系和脉络。 【板书设计】 §2.4单摆 1、 单摆（理想化模型） 1. 定义 2. 特点： 2、 单摆的回复力 当＜5°时， 单摆在摆角很小（θ＜5°）的情况下是简谐运动 3、 单摆的周期 学科网（北京）股份有限公司 $