探究实验在物理课堂中的真实应用——《单摆周期公式》启发式教学设计，本文主要内容关键词为：单摆论文,启发式论文,物理课论文,教学设计论文,公式论文，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。
【课标要求】
通过实验探究了解影响单摆周期的因素，掌握周期公式并能分析日常生活中的问题。
【教学设计思想】
人教版普通高中课本《物理》（选修3-4）第十一章第四节“单摆”一节，大纲对周期公式的教学要求是：知道单摆的周期公式，并能用它进行有关的计算。教材是在通过定性演示、证明单摆的周期（在摆角很小）跟振幅和摆球质量无关而只跟摆长有关的基础上给出单摆的周期公式。若再配以一定量的典型习题，让学生反复演练、熟悉，上述要求不难达到。但是，从学生掌握获取知识技能方法及培养学生创造性思维的角度来看，这样能教学存在严重的缺陷。为使学生体会物理实验对物理学科发展的意义，重复物理学家艰辛的探索过程，领悟物理学的研究方法。在建立了“单摆”的理想化模型及明确小角度下单摆的振动规律之后，对单摆振动周期的研究，改演示实验为探索性学生实验，采用以探索为中心的启发式综合教学法，进行了如下教学设计。
【教学目标】
一、知识与技能
①进一步深化对单摆的认识。
②理解和掌握单摆的周期公式及影响因素。
③通过实验探究，培养学生的实验能力；通过理论探究，培养学生的逻辑推理能力。
④通过探究过程，培养学生获取知识、发展思维的能力。
二、过程与方法
通过从猜想假设→设计研究方案→实验探究→数据处理→得出结论等→系列探究环节，使学生经历探究过程，了解科学研究的一般程序，体验“通过控制变量和对比、分析解决三个变量之间关系和数据处理”等的科学研究方法。
三、情感、态度、价值观
①通过实验，领悟实事求是的理念，并在探究活动中培养合作精神。
②通过动手合作调动学生的学习主动性，培养他们的探究意识，激发他们的学习热情，体会研究的乐趣。
【重点、难点分析】
①本课重点在于探究影响单摆振动周期的因素、周期公式及其成立条件。
②本课难点在于如何设计实验来探究影响单摆振动周期地影响因素以及如何科学的处理实验数据并从中得出结论。
【教学资源】
人教版高中课本《物理》（选修3-4）、铁架台、小钢球、小木球、塑料球、线、米尺、秒表、铁夹、平面磁铁、光电门、数字计时器、多媒体设备等。
【课前准备】
①学生已学完什么是单摆、单摆的回复力等内容，了解实验的基本操作要求。
②PPT课件，Excel电子表格。
③黑板上悬挂四个单摆（满足两个完全相同，一个质量不同，一个摆长不同）。
④安装好光电门、数字计时器、视频投影设备。
【教学流程】
【主要教学过程】
一、故事引入，创设情境、激发动机
1582年，在意大利的比萨大教堂，有一位年轻的医科学生坐在一张长凳上，目光凝视着教堂大厅中央的晃动着的吊灯。吊灯的晃动本来是件很平常的事，可是，这位年轻人却像触了电一样，目不转睛地跟踪着摆动的吊灯，同时，他用右手按着左腕的脉搏。
问：同学们你们知道他是谁吗？他又在思索什么呢？
二、点出主题，引导分析，交流互动、合作学习
问：摆的振动周期可能会与哪些因素有关呢？
答：①摆球质量（认为质量大→受重力大→振动快→周期短，反之则长）
②振幅（认为振幅大→运动路程长→周期长，反之则短）
③摆长（认为摆长长，在同样摆角的情况下路程长→周期长，反之则短）
④重力加速度g（认为摆振动的回复力是由重力沿切线方向的分力提供，而在质量不变的情况下，可能会与g有关）
三、设计探究方案，体验科学探究方法，培养学生严谨的科学态度
(1)制定计划与设计实验（控制变量法）
利用所发器材，提出小组探究方案。
(2)交流与合作
小组讨论，归纳出以下方案：
①研究周期和摆球质量的关系，控制其他条件不变
方案一：比较法。将两个摆长相同，质量不同的单摆，在摆角小于5°的情况下，拉到同一高度（同一摆角）释放。看哪一个小球先到平衡位置。
（分析：若两摆球摆动是同步的，即说明单摆的周期与摆球质量无关，不会受影响。否则就有关系，确定其关系。）
方案二：将两个摆长相同，质量不同的单摆，在摆角小于5°的情况下，拉到同一高度（同一摆角）释放。分别用秒表测量出单摆振动30次所用的时间，比较时间。
②研究单摆的周期和振幅的关系
方案一：将两个摆长、质量相同的单摆，在摆角小于5°的情况下，把两个摆球从不同高度（不同摆角）释放。
（分析：若两摆球同步振动，即说明单摆振动的周期和振幅无关，不会受影响。否则就有关系，确定其关系。）
方案二：只用一个单摆，摆长不变，分别将它从不同的高度（不同摆角）释放。分别用秒表测量出单摆振动30次所用的时间，比较时间。
③研究单摆的周期和摆长的关系
方案一：取摆长不同，质量相同的两个单摆，在摆角小于5°的情况下，从某一高度同时释放。
（分析：若两摆振动同步，即说明单摆振动的周期和摆长无关，不会受影响。否则就有关系，确定其关系。）
方案二：只取一个单摆，改变单摆的摆长，让摆球从某一高度释放。用秒表测量出它每振动30次所用时间，算出每个周期的时间，并记录在表格中，比较时间。
④研究单摆周期与重力加速度的关系
方案一：将两个摆长、质量相同的单摆，在其中一个的正下方放一磁铁，在摆角小于5°的情况下，从同一高度释放。
（分析：若两摆振动同步，即说明单摆振动的周期和重力加速度无关，不会受影响。否则就有关系，确定其关系。）
方案二：让单摆振动（摆球选铁球），测出周期。再在悬点正下方放一强磁铁（铁球下放磁铁相当于重力加速度变大），让摆球摆动，测出周期。比较时间。
四、实验探究，培养学生实验技能、加强合作学习
根据以上方案，各组分工完成实验测量工作。
第一组：重点研究周期与摆球质量的关系（分定性与定量两种情况）。
第二组：重点研究周期与振幅的关系（分定性与定量两种情况）。
第三、四组：重点研究周期与摆长的关系（分定性与定量两种情况）。
将实验数据填入设计的表格中。组长统计并汇总实验结果，得出实验结论。
五、成果展示
培养学生分析、概括的能力以及用电子表格处理实验数据的能力。
第一、二组：由组长汇总实验结果，到讲台前汇报实验结果，同时一位组员选择黑板上合适的摆当堂展示（见图1）。
图1
图中球1、2、3为钢球，球4为塑料球。
第一组选择球3、4进行展示，
第二组选择球2、3进行展示。
结论：通过实验，证实了单摆振动周期和摆球质量、振幅无关。
第三组：由组长汇总实验结果（见表1），到讲台前汇报实验结果并选择球1、2进行展示，同时将实验数据输入讲台电脑Excel电子表格中。先作出T-l图像（见图2）为一条曲线（抛物线）。请同学们猜想：这两者间可能存在什么关系呢？
表1
图2
可能两者间存在平方关系……（见表2）。
表2
再作出的
图像（见图3）为过原点的直线。找到关系，周期的平方与摆长成正比关系。
图3
第四组：检验第三组学生得出的结论。
将每一小组实验的单摆悬挂在黑板上的
坐标上（见图4），结果显示为一条直线，说明由第三组同学得出的结论是正确的。
图4
六、难点突破，培养探究实验能力、了解现代技术在科学探究中的作用
研究单摆周期与重力加速度的关系时，利用光电门及数字计时器在讲台上演示（见图5），用视频投影直接投影到银幕上，让每位学生都能看清数字计时器上时间的变化。（根据光电门特点每次只测半周期）
图5
先自由振动测量三次，再在摆球下加磁铁后测量三次，比较周期的变化。
结论：加磁铁时（相当于g增大）导致周期的减小。
七、得出结论，使学生经历科学探究的过程后得出科学的结论
综上所述，单摆的周期与摆球质量和振幅无关，与摆长l和重力加速度g有关，且为
和
。
荷兰物理学家惠更斯曾经详尽地研究过单摆的振动，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，而与振幅、摆球质量无关。惠更斯确定了计算单摆在摆角很小（满足摆角α＜5°）时周期的公式
。
八、实际应用，了解科学在实际生活中的应用
(1)利用它的等时性计时
单摆周期的这种与振幅无关的性质，叫做等时性。单摆的等时性是由伽利略首先发现的。钟摆的摆动就具有这种性质，摆钟也是根据这个原理制成的。如果条件改变了，比如说摆钟走得慢了，那么就要把摆长调整一下，应缩短l，使T减小。如果这个钟在北京走得好好的，带到广州去会怎么样？由于广州g值小于北京的g值，所以T变大，钟也会走慢。同样，把钟带到月球上也会变慢。
(2)测定当地的重力加速度
惠更斯得出了单摆的周期公式后，在巴黎用一个周期为2s的单摆，精确测量出它的摆长后，从而计算出巴黎当地的重力加速度的大小约为
。
九、课堂练习，培养学生独立分析问题的能力
①甲乙两个单摆，甲的摆长是乙摆长的4倍，乙摆球质量是甲球质量的2倍。在甲振动5次的时间内，乙摆球振动＿＿次。
②选摆钟。家住苏州的王先生去北京挑选摆钟，一个走时完全正确，一个稍快，一个稍慢。你认为他挑选哪一个比较好？为什么？
十、课堂小结，回顾科学探究的过程，进行总结归纳
本节课主要探究了单摆振动的周期与哪些因素有关，得出了单摆振动的周期与摆球的质量、振幅无关，与摆长、重力加速度有关。当单摆的振动是简谐运动时，单摆振动周期公式是定，T与
成正比，当l一定了与
成反比。我们还可以依据这个周期公式式测某地的重力加速度。
十一、课外延伸，激发学生关注科学、热爱科学的热情
我们应鼓励学生学习伽利略、惠更斯等科学家们尊重事实、尊重科学、勤于思考、勇于探究的科学品质，从生活中去发现问题，并主动地去分析问题与解决问题。
【教学后记】
本节课在教学设计和实际授课中营造了浓厚的探究氛围，让学生始终处于积极的思考和探究活动中，使他们充分经历知识的形成过程。通过环环相扣的探究，让学生自己去思考或合作完成，激励他们动脑思维，张开想象的翅膀，将学生活动不断推向新的高潮。让所有的学生都明白了“探究的科学过程”和“探究的科学方法”，教给学生的不止是物理知识，更重要的是教会了科学探究的方法。这是这堂课学生最大的收获，真正培养了学生的探究精神和创新意识。同时，注重培养学生的自学能力，教会学生怎样学习。