“胡克定律与简谐振动”的教学设计——实验先行的课堂探究教学研究，本文主要内容关键词为：教学研究论文,教学设计论文,定律论文,课堂论文,谐振动论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
弹簧是物理学的一个重要模型。本课以弹簧为主线，以“实验先行的课堂探究教学”方式来完成对弹簧劲度系数的认识，掌握弹簧的运动规律。
课前，高二年级的学生已经用一课时的时间，完成了“用胡克定律测弹簧的劲度系数”及用“简谐振动的规律测弹簧的劲度系数”的实验。并通过作图，对实验的偶然误差和系统误差进行了分析。
本堂课将承接上次课的实验分析，通过学生合作学习、讨论、独立解决问题等多种学习方式，在老师的引导下，自主探究。本课的教学流程如图1。
图1
一、展开以学生为主体的合作性学习和讨论——确定弹簧的劲度系数
活动Ⅰ：主题——实验室的弹簧
小组展示：6组学生实验报告展示“用胡克定律与简谐振动分别测弹簧的劲度系数”。从各小组所用的弹簧的大小、长短不同，所得的弹簧的劲度系数不同这一实验现象，讨论弹簧的劲度系数与什么有关。学生通过用相同的力去拉伸不同的弹簧，弹簧的形变不同，得到结论：越难被拉伸的弹簧，弹簧的劲度系数越大。弹簧的劲度系数是一个用来描述弹簧形变难易程度的物理量。
小组讨论：(1)阐述在实验的过程中，你是如何采取措施来提高测量的准确度的；(2)用“胡克定律”和“简谐振动的规律”的原理分别测量同一根弹簧的劲度系数，发现用两种方法测量的结果会有差别，用哪种方法测量的结果会更准确些？为什么？(3)你能设计一种实验方案来验证周期与弹簧的劲度系数成反比吗？（即：
）
活动Ⅱ：主题——生活中的弹簧
学生通过分别拉伸装有一根弹簧和四根弹簧并联的健身器材——扩胸器(Chest Expander)，不难定性地得到结论：弹簧并联，劲度系数增大。老师引导学生做出定量的分析：四根并联弹簧的劲度系数是一根弹簧的4倍。
活动Ⅲ：主题——汽车工业生产中用到的弹簧
展示汽车的减震弹簧如图2所示。先让学生感觉它的劲度，然后提出问题“我们一家三口人的质量共200kg，坐进质量为1200kg的车上，车里所有弹簧被压缩了2mm，弹簧的劲度系数共是多少？”
图2
活动设计的目的主要有三个：一是营造密切联系实际的学习环境，把理论知识和实际生活紧密地联系在一起，让学生认识到物理学是一门跟实际紧密相联系的学科，理论联系实际，是真正学好物理、培养学生分析、解决能力的最佳途径；二是通过实验室里的弹簧和生活、生产中的弹簧，让学生建立一个数量级的概念：实验室的弹簧的劲度系数约为
，而汽车的弹簧的劲度系数约
；三是营造在轻松愉快的课堂氛围下进行探究的学习环境。物理学是一门以实验为基础的科学，观察和实验是最有效的科学学习方法。在课堂教学中，不论是向学生演示日常生活中熟悉的健身器材扩胸器还是向他们展示从未观察过的汽车减震弹簧，都引起了学生强烈的兴趣。
二、在老师引导下的理论研究——两种情形下的运动学、动力学和能量转化与守恒的规律
胡克定律指出：在弹簧的弹性限度内，弹簧的形变与它所受的外力成正比。
图3
如图3所示，P点是直线段OP关系的临界点，E点是弹簧弹性限度的临界点，通常E、P两点相近。胡克定律只适用于F-x图中直线段OP部分。
通过对在竖直方向做简谐振动的弹簧振子，提出三个简单的问题来复习简谐振动的定义和基本概念：(1)任意给出轨迹上的一点C，指出振子在C点的位移和所受的合外力的方向；(2)指出从C点开始的一个全振动；(3)如果一个系统1秒内全振动5次，它的频率和周期分别是多少？
学生充分讨论之后，在老师的引导下，对通过分析“处于拉伸状态下的静止弹簧”和“竖直方向上作简谐振动的弹簧”，采用对比和类比的方法引导学生分析和总结出这两种运动模型的运动学、动力学规律及功能关系如图4所示。
图4
三、设置恰当的问题，对学生的学习效果进行评价
引用2006年美国AP物理B（大学选修物理B）的考试卷中的第一大题，来评估学生对这部分内容的学习。此卷建议学生的完成时间为17分钟，分值为15分。学生在建议的时间内，独自作业，很好地解决了这个问题，达到了教学预设的目标。
一根原长0.20m的理想弹簧放在一个不计摩擦的桌面上，如图5所示。弹簧的一端固定，另一端与一个质量M=8.0kg的物体一端相连。8.0kg物体的另一端通过不计质量的轻绳和光滑定滑轮与m=4.0kg的木块相连。当整个装置处于平衡状态时，弹簧的长度为0.25m，4.0kg的木块距离地面0.70m。
图5
(a)画出两个物体平衡状态时的受力图。
(b)计算绳上的张力。
(c)计算弹簧的劲度系数。
现在P点剪断绳子：
(d)计算4.0kg物体从下落到击中地板的时间。
(e)计算8.0kg的物体的振动频率。
(f)计算8.0kg的物体的运动速率的最大值。
答案：
(a)3分：M受一对水平力、一对竖直力，m受一对竖直力。
(b)2分：因为m平衡，所以T=mg=39N
(c)3分：因为M平衡，根据胡克定律T=kx，k=780N/m
(d)2分：m自由落体，
(e)2分：简谐振动的周期
，f=1.6Hz
(f)2分：能量守恒：
,v=0.49m/s
(g)1分：在以上解题中，答案取了合理的有效数字和单位的，可以得到这1分。
新的科学教育评价体系由科学知识和科学实践两个维度构成。这堂实验先行的课堂探究教学在设计上，充分注重理论与实践相结合，以“三维目标”的理念为基础，以学生发展为本，实现了教学的实效性。