2.1 简谐运动 教学设计-2026-2027学年高二上学期物理人教版选择性必修第一册

《2.1 简谐运动》教学设计 ——人教版（2019）高中物理选择性必修第一册 课时：1 课时（40 分钟）　课型：新授课 一、教材分析 本节是人教版（2019）高中物理选择性必修第一册第二章《机械振动》的第1节，是学生在学习了直线运动、曲线运动和动量守恒等知识后，开始学习一种新的运动形式——机械振动。教材从生活中常见的振动现象（钟摆、浮标、扁担颤动、树梢摇摆）引入，通过弹簧振子这个理想化模型，研究弹簧振子的位移-时间图像，进而得出简谐运动的定义。 教材内容包括三部分：一是机械振动的概念；二是弹簧振子（理想化模型、平衡位置、弹簧振子的位移）；三是弹簧振子的位移-时间图像和简谐运动的定义。本节是本章的基础，简谐运动是最简单、最基本的振动形式，理解简谐运动的规律是学习本章后续内容（简谐运动的描述、回复力和能量、单摆、受迫振动和共振）的基础。 教学重点是弹簧振子模型和简谐运动的定义；教学难点是弹簧振子位移-时间图像的获取和理解，以及简谐运动中位移概念的理解（相对平衡位置的位移）。 二、学情分析 学生在前面已经学习了直线运动、曲线运动等各种运动形式，对运动的描述方法（位移、速度、加速度）有了一定的认识。学生在生活中对振动现象有丰富的感性认识（如秋千、钟摆、琴弦等），但对振动的规律缺乏理性分析。 但学生在学习本节内容时，可能会遇到以下困难：一是对弹簧振子理想化模型的理解，为什么要忽略弹簧质量、忽略阻力，学生对理想化模型的方法还不够熟悉；二是对弹簧振子位移概念的理解，这里的位移不是指从初位置到末位置的位移，而是指相对平衡位置的位移，与以前学过的位移概念不同，学生容易混淆；三是对位移-时间图像的理解，学生以前学过x-t图像，但振动的x-t图像是正弦曲线，学生需要适应这种新的图像形式；四是对简谐运动定义的理解，为什么说x-t图像是正弦曲线就是简谐运动，学生需要从运动学角度理解。 因此，教学中要从学生熟悉的振动现象引入，通过弹簧振子实验让学生观察振动现象，通过频闪照片或数码相机获取位移-时间图像，让学生直观感受振动规律。 三、教学目标（核心素养目标） （1）物理观念：知道机械振动的概念和特征；理解弹簧振子理想化模型；知道平衡位置的概念；理解简谐运动的定义；知道简谐运动是最简单、最基本的振动。 （2）科学思维：通过弹簧振子模型的建立，体会理想化方法；通过位移-时间图像的获取和分析，体会图像法在研究物理问题中的作用；通过证明弹簧振子位移-时间图像是正弦曲线，培养分析推理能力。 （3）科学探究：通过观察生活中的振动现象，归纳机械振动的特征；通过频闪照相或数码相机获取弹簧振子的位移-时间图像；能根据图像分析振子的运动规律。 （4）科学态度与责任：通过观察生活中的振动现象，体会物理与生活的密切联系；通过理想化模型的建立，体会物理学研究问题的方法；通过实验探究，培养严谨求实的科学态度。 四、教学重难点 教学重点：机械振动的概念；弹簧振子理想化模型；简谐运动的定义；弹簧振子的位移-时间图像。 教学难点：弹簧振子理想化模型的理解；弹簧振子位移概念（相对平衡位置的位移）；位移-时间图像的获取和分析；简谐运动定义的理解。 五、教学方法与教学准备 教学方法：实验演示法、讲授法与讨论法相结合、多媒体辅助教学法、讲练结合法。 教学准备：多媒体课件（含各种振动现象图片、弹簧振子动画、频闪照片、x-t图像动画、课堂练习）；演示实验器材：水平弹簧振子、竖直弹簧振子（轻质弹簧下挂钢球）、数码相机或手机。 六、教学过程（40 分钟） （一）新课导入（约 5 分钟） 教师展示图片：钟摆来回摆动、水中浮标上下浮动、扁担行走时上下颤动、树梢在微风中的摇摆。 教师提问：同学们，这些物体的运动有什么共同特点？学生活动：观察图片，思考并自由发言。 教师引导学生归纳：这些物体总是在某一位置附近做往复性的运动。 教师指出：在生活中我们会观察到很多类似这样的运动，这就是我们今天要学习的机械振动。第二章我们将从最简单的振动开始，学习怎样描述振动、分析振动的特点。 （二）机械振动（约 5 分钟） 教师讲解：我们把物体或物体的一部分在一个位置附近的往复运动称为机械振动，简称振动。 教师强调机械振动的两个特征：第一，有一个中心位置，这个位置叫作平衡位置，物体在这个位置附近运动；第二，运动具有往复性，即物体在平衡位置附近来回运动。 教师提问：下列几种运动属于机械振动的是？ A.乒乓球在地面上的上下运动； B.弹簧振子在竖直方向的上下运动； C.秋千在空中来回运动。 学生回答：B和C是机械振动，乒乓球上下运动不是在某一位置附近往复运动，而是每次弹跳高度越来越低，不是在平衡位置附近往复。 教师强调：判断是否是机械振动，关键看是否在某一位置附近做往复运动。 （三）弹簧振子（约 10 分钟） 1.弹簧振子模型（约 5 分钟）。 教师演示：水平弹簧振子。 教师讲解：如图2.1-1，把一个有小孔的小球连接在弹簧的一端，弹簧的另一端固定，小球套在光滑的杆上，能够自由滑动。弹簧的质量与小球相比可以忽略，小球运动时空气阻力很小，也可以忽略。弹簧未形变时，小球所受合力为0，处于平衡位置。把小球拉向右方，然后放开，它就在平衡位置附近运动起来。 教师讲解：我们把小球和弹簧组成的系统称为弹簧振子，有时也简称为振子。 教师强调：弹簧振子是一个理想化模型，它是研究一般振动的基础。 理想化模型的条件是：弹簧质量可以忽略；忽略小球运动时的阻力（空气阻力和杆的摩擦力）；小球可以看作质点。 教师演示竖直弹簧振子：轻质弹簧下端悬挂一个钢球，上端固定，用手把钢球向上托一段距离，然后释放，钢球上下振动。 教师强调：竖直弹簧振子的平衡位置不是弹簧原长位置，而是钢球静止时的位置，此时弹簧的弹力等于钢球的重力。 2.弹簧振子的位移（约 5 分钟）。 教师讲解：要想了解弹簧振子运动的特点，就要知道它的位置随时间变化的关系。我们以小球的平衡位置为坐标原点O，沿着它的振动方向建立坐标轴，规定水平向右为正方向。小球在平衡位置右边时它的位置坐标x为正，在左边时位置坐标x为负。 教师强调：研究振动时所说的位移，是指振子相对平衡位置的位移，即从平衡位置指向振子所在位置的有向线段。这与以前学过的位移（从初位置到末位置的有向线段）不同。当振子在平衡位置右侧时位移为正，在左侧时位移为负。 教师强调：振子在某时刻的位移方向总是背离平衡位置。 （四）弹簧振子的位移—时间图像（约 12 分钟） 1.如何获取位移-时间图像（约 5 分钟）。 教师提问：怎样才能得到小球位移与时间的关系？ 学生活动：思考讨论。 教师引导：要想得到位移与时间的关系，关键在于记录不同时刻小球的位置。为了便于分析，最好是相等时间间隔的位置。 教师介绍两种方法：方法一，手动描图法：以小球平衡位置为坐标原点，规定向右为正方向，横轴为时间t，纵轴为位移x。在坐标系中标出各时刻小球球心的位置，用曲线将其连接起来。方法二，频闪照相法：利用频闪照相照相机连拍，或用摄像机摄像后逐帧观察的方式，都可以得到相等时间间隔的不同时刻小球的位置。 教师展示图2.1-2：弹簧振子的频闪照片。 教师讲解：频闪仪每隔0.05s闪光一次，闪光的瞬间振子被照亮，得到闪光时小球的位置，相邻两个位置之间的时间相隔为0.05s。拍摄时底片从下向上匀速运动，因此在底片上留下了小球和弹簧的一系列的像。因为摄像底片做匀速运动，底片运动的距离与时间成正比，因此可用底片运动的距离代表时间轴。 2.位移-时间图像的形状（约 5 分钟）。 教师展示图2.1-3：振动图像。 教师讲解：选取小球平衡位置为坐标原点，建立如图坐标系，横轴和纵轴分别表示时间t和小球的位移x。在坐标系中标出各时刻小球球心的位置，用曲线把各点连接起来，就是小球在平衡位置附近往复运动时的位移-时间图像，即x-t图像。 教师引导学生观察：从图像可以看出，弹簧振子的x-t图像是一条正弦曲线。 教师强调：这就是弹簧振子的振动图像。 3.做一做：数码相机和计算机绘制x-t图像（约 2 分钟）。 教师讲解：用数码相机拍摄钢球的运动，通常每隔0.04s拍一张照片。在计算机中建立幻灯片，把这些照片插入同一张空白幻灯片中，按拍摄时间先后一帧一帧向右平铺，对齐上端，便能得到与图2.1-2相似的画面，从而看到钢球在各个不同时刻的位置。 （五）简谐运动（约 5 分钟） 教师讲解：从获得的弹簧振子的x-t图像可以看出，小球位移与时间的关系似乎可以用正弦函数来表示。通过研究表明，如果物体的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即它的振动图像（x-t图像）是一条正弦曲线，这样的振动是一种简谐运动。 教师强调：简谐运动是最简单、最基本的振动。 教师讲解判断方法：判断物体是否做简谐运动，可以从运动学方面定性分析。 具体步骤：第一，分析物体的运动状态；第二，分析位移随时间的变化规律。如果位移随时间按正弦规律变化，就是简谐运动。 （六）课堂小结与练习（约 3 分钟） 教师引导学生回顾本节课内容：本节课我们学习了机械振动和简谐运动。机械振动是物体在某一位置附近的往复运动，有平衡位置和往复性两个特征。弹簧振子是理想化模型，忽略弹簧质量和阻力。研究振动时的位移是相对平衡位置的位移。弹簧振子的位移-时间图像是一条正弦曲线。如果物体的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即x-t图像是正弦曲线，这样的振动就是简谐运动。简谐运动是最简单、最基本的振动。 【课堂练习】关于水平弹簧振子的运动，下列说法正确的是（ ） A.若位移为负值，则速度一定为正值，加速度也一定为正值 B.振子通过平衡位置时，速度为零，加速度最大 C.振子每次通过平衡位置时，加速度相同，速度也一定相同 D.振子通过平衡位置时，速度最大，加速度最小 解析：位移为负时速度可能为正也可能为负，A错误；通过平衡位置时速度最大加速度为零，B错误D正确；每次通过平衡位置时加速度相同（都是零），但速度方向可能不同，C错误。答案D。 七、板书设计 2.1 简谐运动 一、机械振动 1.定义：物体在某一位置附近的往复运动 2.特征：平衡位置（中心位置）；往复性 二、弹簧振子 1.理想化模型：忽略弹簧质量、忽略阻力、小球为质点 2.平衡位置：物体原来静止时的位置，合力为零 3.位移：相对平衡位置的位移，从平衡位置指向振子所在位置 三、位移-时间图像 获取方法：频闪照相法、数码相机逐帧法；图像形状：正弦曲线 四、简谐运动 1.定义：位移与时间的关系遵从正弦函数规律，x-t图像是正弦曲线 2.特点：最简单、最基本的振动 八、作业布置 1.完成教材练习与应用第1、2题，巩固简谐运动的概念和图像分析。 2.观察生活中还有哪些振动现象，它们是否是简谐运动？举例说明。 3.思考：为什么说简谐运动是最简单、最基本的振动？ 九、教学反思（简述） 本节课从生活中的振动现象引入，通过弹簧振子实验让学生观察振动现象，通过频闪照片或数码相机获取位移-时间图像，得出简谐运动的定义。教学中注重理想化模型的建立和图像法的运用，让学生经历从现象到模型、从实验到规律的探究过程。从课堂反应来看，学生对弹簧振子实验兴趣浓厚，对正弦曲线图像感到新奇。 在教学过程中，要注意以下几点：第一，新课引入要从学生熟悉的振动现象出发，钟摆、浮标、秋千等都是学生熟悉的，用这些现象引入能够快速激发学生的学习兴趣；第二，弹簧振子是理想化模型，要向学生讲清楚为什么要忽略弹簧质量和阻力，让学生体会理想化方法在物理学研究中的作用；第三，弹簧振子的位移概念是学生容易混淆的地方，要反复强调这里的位移是相对平衡位置的位移，与以前学过的位移概念不同；第四，位移-时间图像的获取是本节课的重点，有条件的学校可以用数码相机现场拍摄钢球运动，让学生亲身体验图像的获取过程；如果条件有限，可以用频闪照片或动画展示；第五，简谐运动的定义要让学生理解，为什么x-t图像是正弦曲线就是简谐运动，要强调这是从运动学角度给出的定义；第六，本节课概念较多，时间偏紧，实际教学中可以根据学生掌握情况适当调整，如果学生对位移概念和图像理解不扎实，可以在下一节课开始时再安排一定时间进行巩固。 2 学科网（北京）股份有限公司 $