2.3 简谐运动的回复力和能量 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

《2.3 简谐运动的回复力和能量》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3节，是在学生学习了简谐运动的概念、描述方法之后，从动力学和能量两个角度进一步研究简谐运动。教材从牛顿运动定律出发，分析弹簧振子的受力特点，得出回复力的概念和F=-kx的公式，进而给出简谐运动的动力学定义；然后从能量角度分析简谐运动中动能和势能的转化规律。

教材内容包括两部分：一是简谐运动的回复力（回复力的概念、公式F=-kx、简谐运动的动力学定义）；二是简谐运动的能量（动能和势能的相互转化、机械能守恒、振幅与能量的关系）。本节是对简谐运动认识的深化，从运动学描述到动力学分析再到能量分析，形成完整的知识体系。

教学重点是回复力的概念和F=-kx公式、简谐运动的能量转化规律；教学难点是回复力的理解（效果力、可以是某一个力或几个力的合力或某个力的分力）、简谐运动的动力学定义。

二、学情分析

学生在前面已经学习了简谐运动的概念、振幅周期相位等描述方法，知道了简谐运动的x-t图像是正弦曲线，也学习了牛顿运动定律和机械能守恒定律，具备了从动力学和能量角度分析简谐运动的基础。学生在初中和高中必修阶段已经学习了弹簧弹力、动能势能转化等知识。

但学生在学习本节内容时，可能会遇到以下困难：一是回复力概念的理解，回复力是效果力，不是一种新性质的力，学生容易把回复力当成一种新的力；二是竖直弹簧振子回复力的分析，学生容易认为竖直弹簧振子的回复力就是弹簧弹力，忽略重力；三是F=-kx公式中负号的物理意义，学生容易忽略负号表示方向；四是简谐运动中能量转化的具体过程，在不同位置动能和势能如何变化，学生需要仔细分析。

因此，教学中要引导学生从受力分析入手，通过具体例子帮助学生理解回复力的概念；要通过填表分析各位置的能量变化，让学生理解动能势能转化规律。

三、教学目标（核心素养目标）

（1）物理观念：理解回复力的概念；知道简谐运动回复力的公式F=-kx；理解简谐运动的动力学定义；知道简谐运动中动能和势能的相互转化；知道简谐运动机械能守恒；知道振幅与振动能量的关系。

（2）科学思维：通过分析弹簧振子的受力特点，推导回复力公式；能根据F=-kx判断物体是否做简谐运动；能从能量角度分析简谐运动中动能和势能的转化；体会理想化方法和能量观点在物理学中的应用。

（3）科学探究：通过做一做填表分析各位置的能量变化，归纳简谐运动的能量规律；能通过受力分析证明竖直弹簧振子做简谐运动。

（4）科学态度与责任：通过从动力学和能量两个角度分析简谐运动，体会物理学研究问题的方法；通过能量转化规律的学习，体会自然界中能量转化与守恒的普遍性。

四、教学重难点

教学重点：回复力的概念和公式F=-kx；简谐运动的动力学定义；简谐运动中动能和势能的转化规律；机械能守恒。

教学难点：回复力概念的理解（效果力）；竖直弹簧振子回复力的分析；F=-kx中负号的物理意义；简谐运动能量转化过程的分析。

五、教学方法与教学准备

教学方法：讲授法与讨论法相结合、实验演示法、多媒体辅助教学法、讲练结合法。

教学准备：多媒体课件（含弹簧振子受力分析动画、能量转化动画、课堂练习）；演示实验器材：水平弹簧振子、竖直弹簧振子。

六、教学过程（40 分钟）

（一）新课导入（约 3 分钟）

教师演示：水平弹簧振子，把小球拉离平衡位置释放，小球在平衡位置附近做往复运动。

教师提问：当我们把弹簧振子的小球拉离平衡位置释放后，小球就会在平衡位置附近做简谐运动。小球的受力满足什么特点才会做这种运动呢？

学生活动：观察实验，思考并自由发言。

教师引导：根据牛顿运动定律，物体的运动是由受力决定的。今天我们就从受力和能量两个角度来研究简谐运动。

（二）简谐运动的回复力（约 18 分钟）

1.回复力的概念（约 5 分钟）。

教师讲解：根据牛顿运动定律，可以作出以下判断：做简谐运动的物体偏离平衡位置向一侧运动时，一定有一个力迫使物体的运动速度逐渐减小直到为0，然后，物体在这个力的作用下，运动速度又由0逐渐增大并回到平衡位置；物体由于具有惯性，到达平衡位置后会继续向另一侧运动，这个力使它再一次回到平衡位置。正是在这个力的作用下，物体在平衡位置附近做往复运动。我们把这样的力称为回复力。

教师强调：回复力是使振子回到平衡位置的力。回复力是效果力，按力的作用效果命名，不是一种新性质的力。回复力的方向始终指向平衡位置。回复力可以是弹力，也可以是其他力；可以是某一个力，或几个力的合力，或者某个力的分力。

2.回复力的公式（约 7 分钟）。

教师分析水平弹簧振子：如图2.3-1，当小球在O点（平衡位置）时，所受合力为0；在O点右侧任意选择一个位置P，无论小球向右运动还是向左运动，小球在P点相对平衡位置的位移都为x，受到的弹簧弹力如图所示。使小球回到平衡位置的回复力应该是由弹簧弹力提供的，回复力大小为F=kx，方向指向平衡位置。

教师强调：从上面的分析可以看出，弹簧对小球的弹力是小球做简谐运动的回复力，这个力的大小与小球相对平衡位置的位移成正比，方向与位移方向相反，可表示为F=-kx。式中负号表示F与x反向。

教师讲解简谐运动的动力学定义：理论上可以证明，如果物体所受的力具有F=-kx的形式，物体就做简谐运动。也就是说，如果物体在运动方向上所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成正比，并且总是指向平衡位置，质点的运动就是简谐运动。

3.竖直弹簧振子的回复力（约 6 分钟）。

教师演示竖直弹簧振子。

教师提问：竖直方向的弹簧振子由哪些力提供回复力？

学生活动：思考讨论。

教师引导学生分析：平衡位置时弹簧的形变量为x0，则mg=kx0。当小球向下运动到离平