第一篇：單擺研究的論文

[摘要]單擺演示實驗儀是中學物理教學中的常用實驗儀。由于摩擦等外界阻力的作用，普通單擺的小球擺動一段時間后會停下來。永不停息單擺是用間歇電磁力來周期地加速擺球的特殊單擺，是綜合力學原理和電磁學原理進行創(chuàng)新研制而成的。

[關(guān)鍵詞]單擺間歇電磁力周期加速不停息擺動

（一）原理和設計構(gòu)想

大學物理演示實驗中，單擺實驗儀器的擺角一般應小于5度。從力學原理上講，單擺在不受外界影響的情況下，應以簡諧振動的方式永不停息地擺動下去，根據(jù)受力分析，作為單擺的小球，重力沿繩子方向的分力和繩子彈力的合力提供小球做圓周運動的向心力，沿運動軌跡切線方向的分力不斷做功實現(xiàn)動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化，導致小球做周期性不停止的擺動；然而，實際上，由于受到各種阻力因素的影響，單擺實際上是在做阻尼振動，阻力做功消耗了擺球的機械能，最終使擺球停止在平衡位置。甚至合外力不全在豎直平面內(nèi)時，還會作其他擺動，如做圓錐擺動等。

經(jīng)過試驗探索發(fā)現(xiàn)，用周期等于單擺擺動周期的間歇電磁力來驅(qū)動單擺時，磁場可以補充擺動過程中損失的能量，致使單擺永不停息地擺動下去，并且還發(fā)現(xiàn)本儀器兼有傅科擺的演示效果，即擺動到一定的時間后可明顯觀察到由于地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的擺平面出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)角。

（二）實驗儀電路及工作原理

1.實驗儀的電路組成。

本實驗儀電器控制電路包括兩個電路部分：1-弱電控制單元，2-電磁力驅(qū)動單元，如圖1所示。

1-弱電控制單元的組成：銅環(huán)與電磁繼電器串聯(lián)后接入到12V直流電路中；

2-電磁力驅(qū)動單元的組成：電磁鐵的電磁線圈與開關(guān)S1、電磁繼電器的觸頭和指示燈順序串聯(lián)后，接入220V的交流電路中。

2.其工作原理是：閉合開關(guān)S1，同時使擺球擺動起來。在每個擺動周期內(nèi)，球在兩個最高點時，吊球的銅絲與銅環(huán)接觸的瞬間電磁繼電器接通，使電磁鐵通電產(chǎn)生一個瞬時的磁場力。當小球離開最高點時，磁力隨即消失，這樣使得小球在每次回擺時受到外加電磁力的驅(qū)動，獲得補充能量來克服外界阻力產(chǎn)生的影響，從而使小球永不停息地擺動下去。電路指示燈工作過程是，開關(guān)S1閉合，電磁繼電器接通，電磁鐵回路接通，指示燈亮；否則，指示燈熄滅。

（三）實驗儀結(jié)構(gòu)示意圖

實驗儀結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：(1)12V直流電源；(2)12V電源接線柱；(3)工作指示燈；(4)交流電源接線柱；(5)保險絲；(6)帶指示燈開關(guān)；(7)單擺小球；(8)銅絲制擺線；(9)銅環(huán)；(10)固定架；(11)導線；(12)底座。

實驗儀線路連接：直流電源的正負接線柱接裝置的兩個接線柱，電源接線柱接220V交流電。

（四）功能特點及效果分析

1.實驗儀的功能特點。

（1）集“單擺演示、電磁力驅(qū)動演示、傅科擺演示和弱電控制強電演示”于一體，且演示效果顯著。

（2）集“力、電、磁”知識于一身，知識含量豐富，趣味性強，能很好地激發(fā)同學們探索科學的興趣。是一種很好的“綜合性、探索性、創(chuàng)新性”演示實驗。

（3）采用低壓弱電控制高壓強電，把強電路放在裝置內(nèi)部，低壓控制電路置于操作區(qū)，使實驗儀器具有很好的安全性。

2.實驗儀注意事項及演示效果分析。

（1）實驗開始時最好在銅絲上鍍一層錫，這樣銅絲與銅環(huán)的接觸效果會更好，實驗現(xiàn)象的明顯度也會大大提高。

（2）換重一些擺球不僅會使接觸效果增強，還會增加實驗現(xiàn)象的明顯度。

（3）每個周期內(nèi)，銅絲與銅環(huán)接觸兩次，電磁繼電器的銜鐵也將被吸合、釋放兩次，指示燈也同步閃亮兩次、演示效果明顯。

第二篇：單擺精品教案

單擺

一、教學目標

1．在物理知識方面的要求：

(1)理解單擺振動的特點及它做簡諧運動的條件；(2)掌握單擺振動的周期公式。

2．觀察演示實驗，概括出周期的影響因素，培養(yǎng)學生由實驗現(xiàn)象得出物理結(jié)論的能力。

3．在做演示實驗之前，可先提出疑問，引起學生對實驗的興趣，讓學生先猜想實驗結(jié)果，由教師實驗驗證，使學生能更好的有目的去觀察實驗。

二、重點、難點分析

1．本課重點在于掌握好單擺的周期公式及其成立條件。2．本課難點在于單擺回復力的分析。

解決方案：對于重點內(nèi)容通過課堂鞏固練習加深印象。本課難點在于力的分析上，由教師畫好受力分析圖，用彩粉筆標示，同時引導學生看書，這部分內(nèi)容屬于A類要求及了解內(nèi)容，只要使大部分學生能明白基本過程即可，重在強調(diào)最后結(jié)論。

三、教具

1．演示單擺振動周期的影響因素

三個單擺：兩個擺長相同，質(zhì)量不同；兩個擺長不同。2．投影儀，投影片。(內(nèi)容見附錄)

四、主要教學過程(一)引入新課

提問：什么是簡諧運動？

答：物體做機械振動，受到的回復力大小與位移大小成正比，方向與位移方向相反。前節(jié)課我們學習了彈簧振子，了解了簡諧運動和振動周期。日常生活中，我們常常見到鐘表店里擺鐘擺錘的振動(教師展示擺鐘鐘擺的振動)，這種振動有什么特點呢？它是根據(jù)什么原理制成的？鐘擺類似于物理上的一種理想模型——單擺。我們就來分析一下單擺來解決以上的問題。

(二)教學過程設計

(教師拿出單擺展示，同時介紹單擺構(gòu)成)這就是單擺，一根繩子上端固定，下端系著一個球。物理上的單擺，是在一個固定的懸點下，用一根不可伸長的細繩，系住一個一定質(zhì)量的質(zhì)點，在豎直平面內(nèi)小角度地擺動。所以，實際的單擺要求繩子輕而長，小球要小而重，將擺球拉到某一高度由靜止釋放，單擺振動類似于鐘擺振動。我們這一章研究的是機械振動，而單擺振動也屬于機械振動，單擺振動也是在某一平衡位置附近來回振動，這個平衡位置，就是繩子處于豎直的位置。

我們在學習機械振動時，曾經(jīng)提到過機械振動的兩個必要條件，一是運動中物體所受阻力要足夠?。欢俏矬w離開平衡位置后，總是受到回復力的作用。對于第一個條件單擺是符合的，單擺繩要輕而長，球要小而重都是為了減少阻力；第二個條件說到回復力。

提問：單擺的回復力又由誰來提供？

答：單擺的回復力由繩的拉力和重力的合力來提供。(教師對答案先不否定，通過對學生的提問，教師把受力圖畫在黑板上。)

1．單擺的回復力

要分析單擺回復力，先從單擺受力入手。單擺從A位置釋放，沿AOB圓弧在平衡點O附近來回運動，以任一位置C為例，此時擺球受重力G，拉力T作用，由于擺球沿圓弧運動，所以將重力分解成切線方向分力G1和沿半徑方向G2，懸線拉力T和G2合力必然沿半徑指向圓心，提供了向心力。那么另一重力分力G1不論是在O左側(cè)還是右側(cè)始終指向平衡位置，而且正是在G1作用下擺球才能回到平衡位置。(此處可以再復習近平衡位置與回復力的關(guān)系：平衡位置是回復力為零的位置。)因此G1就是擺球的回復力。回復力怎么表示？由單擺的回復力的表達式能否看出單擺的振動是簡諧運動？書上已給出了具體的推導過程，其中用到了兩個近似：(1)sinα≈α；(2)在小角度下AO直線與AO弧線近似相等。這兩個近似成立的條件是擺角很小，α＜5°。(見附表，打印在投影片上。)由投影片我們可知α在5°之內(nèi)，并且以弧度為角度單位，sinα≈α。

在分析了推導過程后，給出結(jié)論：α＜5°的情況下，單擺的回復力為

滿足簡諧運動的條件，即物體在大小與位移大小成正比，方向與位移方向相反的回復力作用下的振動，為簡諧運動。所以，當α＜5°時，單擺振動是一種簡諧運動。

2．單擺振動是簡諧運動

特征：回復力大小與位移大小成正比，方向與位移方向相反。

但這個回復力的得到并不是無條件的，一定是在擺角α＜5°時，單擺振動回復力才具有這個特征。這也就是單擺振動是簡諧運動的條件。

條件：擺角α＜5°。

前面我們所學簡諧運動是以彈簧振子系統(tǒng)為例，單擺振動和彈簧振子不同，從回復力上說，雖然都具有同一特征，卻由不同的力來提供。彈簧振子回復力由合力提供，而單擺則是由重力的一個分力來提供回復力。這是回復力不同，那么其他方面，還有沒有不同呢？我們在學習彈簧振子做簡諧運動時，還提到過彈簧振子系統(tǒng)周期與振幅無關(guān)，那么單擺的周期和振幅有沒有關(guān)系呢？下面我們做個實驗來看一看。

3．單擺的周期

要研究周期和振幅有沒有關(guān)系，其他條件就應不變。這里有兩個單擺(展示單擺)，擺長相同，擺球質(zhì)量不同，這會不會影響實驗結(jié)果呢？也就是單擺的周期和擺球的質(zhì)量有沒有關(guān)？那么就先來看一下質(zhì)量不同，擺長和振幅相同，單擺振動周期是不是相同。

[演示1] 將擺長相同，質(zhì)量不同的擺球拉到同一高度釋放。

現(xiàn)象：兩擺球擺動是同步的，即說明單擺的周期與擺球質(zhì)量無關(guān)，不會受影響。

那么就可以用這兩個單擺去研究周期和振幅的關(guān)系了，在做之前還要明確一點，振幅是不是可任意??？這個實驗主要是為研究屬于簡諧運動的單擺振動的周期，所以擺角不要超過5°。

[演示2] 擺角小于 5°的情況下，把兩個擺球從不同高度釋放?，F(xiàn)象：擺球同步振動，說明單擺振動的周期和振幅無關(guān)。

剛才做過的兩個演示實驗，證實了單擺振動周期和擺球質(zhì)量、振幅無關(guān)，那么周期和什么有關(guān)？由前所說這兩個擺擺長相等，如果L不等，改變了這個條件會不會影響周期？

[演示3] 取擺長不同，兩個擺球從某一高度同時釋放，注意要α＜5°。現(xiàn)象：兩擺振動不同步，而且擺長越長，振動就越慢。這說明單擺振動和擺長有關(guān)。具體有什么關(guān)系呢？經(jīng)過一系列的理論推導和證明得到：

同時這個公式的提出，也是在單擺振動是簡諧運動的前提下，即滿足擺角α＜5°。

條件：擺角α＜5°

還可以根據(jù)這個周期公式測某地的重力加速度，由公式可知只要測出單擺的擺長、周期，就可以得到單擺所在地的重力加速度。

提問：由以上演示實驗和周期公式，我們可知道周期與哪些因素有關(guān)，與哪些因素無關(guān)？

答：周期與擺長和重力加速度有關(guān)，而與振幅和質(zhì)量無關(guān)。

單擺周期的這種與振幅無關(guān)的性質(zhì)，叫做等時性。單擺的等時性是由伽利略首先發(fā)現(xiàn)的。(此處可以講一下伽利略發(fā)現(xiàn)單擺等時性的小故事。)鐘擺的擺動就具有這種性質(zhì)，擺鐘也是根據(jù)這個原理制成的，據(jù)說這種等時性最早是由伽利略從教堂的燈的擺動發(fā)現(xiàn)的。如果條件改變了，比如說(拿出擺鐘展示)這個鐘走得慢了，那么就要把擺長調(diào)整一下，應縮短L，使T減??；如果這個鐘在北京走得好好的，帶到廣州去會怎么樣？由于廣州g，小于北京的g值，所以T變大，鐘也會走慢；同樣，把鐘帶到月球上鐘也會變慢。

4．課堂練習(見投影片)[題目]甲乙兩個單擺，甲的擺長是乙擺長的4倍，乙擺球質(zhì)量是甲球質(zhì)量的2倍。在甲振動5次的時間內(nèi)，乙擺球振動______次。

分析：此題考查的是周期的影響因素。已知擺長和質(zhì)量比例關(guān)系，但由周期公式和前面所做演示實驗可知，周期與質(zhì)量無關(guān)，甲的擺長是乙的擺長的4倍，那么甲的周期就是乙的周期的2倍，頻率是1/2，所以甲振動5次，同時乙振動10次。

(三)課堂小結(jié)

本節(jié)課主要講了單擺振動的規(guī)律，只有在小角度時單擺振動才能近

式測某地的重力加速度，由公式可知只要測出單擺的擺長、周期，就可以得到單擺所在地的重力加速度。

第三篇：單擺教學設計

《單擺》教學設計

江蘇省邳州市宿羊山高級中學 周中華

一、設計思想

中學物理教學的目的，是使學生比較系統(tǒng)地掌握進一步學習現(xiàn)代科學技術(shù)所需的物理基礎(chǔ)知識，了解這些知識的實際應用，培養(yǎng)學生的實驗技能、思維能力、自學能力和靈活運用知識解決實際問題的能力；培養(yǎng)學生的辯證唯物主義觀點。培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力是現(xiàn)代教育研究的核心，本文介紹單擺課題中開展創(chuàng)新教學、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的一點做法。

舊教育模式基本如下：

提出單擺的模型→規(guī)律→應用、解題

該教學模式重視的是知識的傳授，重點是知識的應用──解題，且通過解題來熟練掌握該知識和提高運用這些知識解決問題的能力，即熟練解題技巧。這種教學模式，缺乏知識的產(chǎn)生和發(fā)展的過程，學生實際參與少，體驗不深，理論聯(lián)系實際少，且介紹創(chuàng)造發(fā)明的往往一筆帶過。本人認為這把物理學的精華部分給埋沒了，使學生感到學習物理知識是為了解題，為了升學考試，從而使學生的學習處于被動狀態(tài)，即學生對學習的內(nèi)在動力不足，興趣不濃，這是目前教學中存在的共同問題。大量解題，學習解題的各種技巧，造成知識面狹窄，自學能力差，除課本上知識外，很少接觸其他課外書，不重視實驗，觀察能力和實驗操作能力差。

本人根據(jù)自己的教學經(jīng)驗結(jié)合“單擺”教學實際，確立如下教學模式：

觀察→抽象建?！?guī)律→應用

此教學模式讓學生充分感受、理解知識的產(chǎn)生和發(fā)展過程，引導、啟發(fā)學生模擬探究原科學家的實踐活動過程，發(fā)現(xiàn)“新”現(xiàn)象，通過聯(lián)想、判斷、推理、分析、綜合，歸納出物體呈現(xiàn)如此現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律，然后把規(guī)律應用到實際中去。力求體現(xiàn)物理學研究的基本方法，重點展現(xiàn)發(fā)現(xiàn)規(guī)律的過程和應用規(guī)律的過程，即展現(xiàn)發(fā)現(xiàn)、發(fā)明創(chuàng)造的過程，從中培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，使學生感到所學知識確有實際意義，從內(nèi)心感到確需知道該知識和方法，從而積極參與、主動學習、自主探索。同時體現(xiàn)教師適時點撥、“搭橋引路”的主導地位。當然在教學過程中要精選習題、當堂達標訓練，切實提高課堂教學效率。

二、教學過程

下面是該教學模式的具體操作過程：

1．觀察：鐘擺的擺動

由日常見到的現(xiàn)象：掛燈在風吹后的擺動，秋千在人推動后的擺動

（物體來回擺動）入手，通過聯(lián)想、判斷使學生感到我們所研究的物理現(xiàn)象來源于自然，不是憑空想象出來的。

2．抽象建模

把觀察到的物理現(xiàn)象進行抽象，建立理想模型，使研究的物理問題簡單化。在細線的一端拴上一個小球，另一端固定在懸點上，線的伸縮和質(zhì)量忽略不計，球的直徑比線長短得多，即把球看成一個質(zhì)點──單擺模型。

3．規(guī)律

（1）單擺呈現(xiàn)來回擺動現(xiàn)象的本質(zhì)：讓學生想想，師生一起分析擺球受到重力和細線的拉力不在一條直線上，即受力不平衡的緣故。重力沿細線垂直方向的分力，即是使擺球回到最低點的回復力，注意這個力不是重力和細線拉力的合力。在擺角小于5°時，擺球運動可看做簡諧運動。擺球在空間擺動觀察時如無顯著的參照物作為標準，很可能造成圓錐擺?？刹捎蒙隙藥в兄Ъ埽ㄖЪ艽怪迸c面板，并且po在一條直線上垂直與面板）的面板。如圖（1）。人是很難做到不同擺角和同一擺角。易造成擺角過大而引起非簡諧運動，或擺角太小不易測量周期?，F(xiàn)在面板上做一以p為圓心的半圓，并標出刻度。實驗時就可以根據(jù)面板上的刻度讀出擺角值，從而準確的驗證影響周期的因素。

（2）單擺的規(guī)律：等時性。

模擬科學家研究過程，但不完全照搬，也要有所創(chuàng)新。從中激發(fā)學生的興趣，重視學生的內(nèi)心體驗與主動參與。伽利略在教堂中看到掛燈的擺動，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象，并研究得出單擺的等時性。根據(jù)歷史記載，伽利略所處年代還沒有精確的計時儀器，他如何確定的？只好用自己的脈搏跳動測得，他利用人在正常情況下脈搏跳動是基本均勻的，這是一種類比方法。現(xiàn)在我們有計時儀器，可以照課本上實驗來確定這一結(jié)論。一般人的脈搏跳動總有些不穩(wěn)定，這樣實驗不夠精確，那么我們現(xiàn)在如何設計一個簡單而精確的實驗來驗證呢？讓學生想一想，然后提示學生用比較法。

用2個單擺比較，可能有學生提出；也許是巧合呢？那么用5個單擺，其中2個擺球形狀、質(zhì)量完全一樣，其余3個各不相同（這樣容易比較）。用5根約1m長的細線一端拴住擺球，另一端各懸掛在同一水平橫桿上（并排）如圖2，使擺長一樣（這是實驗成敗的關(guān)鍵）。想想如何比較擺球的周期相同不相同？

先試一下，一個一個推動擺球（擺角<5°），讓擺球擺動，可以看到擺得較亂，看不出關(guān)系。設法拉開擺球，從同一高度同時靜止釋放，可觀察到同步擺動。這說明單擺的周期跟單擺的擺球質(zhì)量無關(guān)。再設法把小球拉開不同角度，同時靜止時釋放，可觀察到：同步擺動（注意沿著橫桿方向看）。這說明單擺的周期跟單擺的振幅無關(guān)，由此得到單擺的等時性（使學生感到成就感）。那么單擺的周期跟什么因素有關(guān)呢？（讓學生想想，猜想可能是擺長），改變其中4個單擺的擺長，使它們擺長不一樣，再讓它們同時擺動，可觀察到；擺長長的，擺動慢，擺長短的，擺動快。

課本中并沒有通過實驗驗證重力加速度與周期的關(guān)系。若采用磁性擺球，并在擺球的平衡位置正下方放一U型的磁鐵，相當于增大重力加速度。比較和未加磁鐵時同一擺球50～60次全振動所需時間就驗證了重力加速度增大時周期變短，改變磁鐵磁極，相當于減小重力加速度，周期變長。說明重力加速度的改變可以影響周期的變化。然后提出，這由惠更斯研究發(fā)現(xiàn)單擺的振動周期跟擺長的平方根成正比，跟重力加速度的平方根成反比，且確定了如下的單擺振動周期公式（也可用數(shù)學方法和彈簧振子的周期公式推導出這一公式，應看學生的基礎(chǔ)、程度而定。）

4．應用

由物理現(xiàn)象得出物理規(guī)律，再應用到實際中去，這是物理研究的最終目的，是理論聯(lián)系實際的過程，也是發(fā)明創(chuàng)造的過程，也即學生內(nèi)化和外延的過程。在這過程中有意識地培養(yǎng)學生發(fā)散思維，并進行“創(chuàng)造發(fā)明”的教學。

由惠更斯首先利用單擺的等時性，直接應用發(fā)明了帶擺的計時儀──擺鐘。簡介擺鐘基本結(jié)構(gòu)，然后讓學生想想擺鐘有哪些缺點。

分析原因：（1）由于熱脹冷縮，引起擺長改變，使計時有快慢。（2）鐘擺受阻力作用，擺動一定次數(shù)后要停止，需定時上發(fā)條，不方便。（3）造價貴，與現(xiàn)行的電子鐘、石英鐘比較，電子鐘、石英鐘精確，一節(jié)5號電池，可使用半年。

然而是不是要淘汰擺鐘呢？不，有人把這做得大一些，做成一種落地座鐘，成為一件裝飾品，又是一種計時器，這也是一種創(chuàng)造發(fā)明。

聯(lián)想運用單擺的周期公式，可以測定當?shù)氐闹亓铀俣?，又可拿到某一星球表面上，測該星球表面的重力加速度：

等效應用：把一個物體的來回運動等效看成單擺的運動。例如，一個小球在較大半徑的光滑圓弧槽內(nèi)來回運動（槽固定在地面上），可以等效看成繞圓心來回擺動的單擺運動。又如，雙線擺可等效看成某一擺長的單擺運動，在升降機中單擺周期的變化，等等。應用中不僅使學生解題能力得到提高，而且使學生的創(chuàng)新能力和綜合能力得到培養(yǎng)，使學生在獲得知識同時，多方面的能力也得到培養(yǎng)，但應用中應減少一些純粹為熟練公式或無實際價值的問題。

本節(jié)課設計的指導思想是培養(yǎng)學生各方面的素質(zhì)，教學中以實驗為基礎(chǔ)結(jié)合學生的思維特點。充分發(fā)揮教師的主導作用，體現(xiàn)學生的主體地位，讓學生成為知識的發(fā)現(xiàn)者，以規(guī)律的認識為主線，把傳授知識、培養(yǎng)能力、滲透方法有機結(jié)合到一起。目的在于培養(yǎng)學生各方面的能力。2009-02-25 人教網(wǎng)

第四篇：研究單擺的振動周期(教學設計案例)

研究單擺的振動周期（教學設計案例）

（教學設計案例）研究單擺的振動周期（舊人教版必修+選修2）〖教學目標〗

1、學生能積極地參與小組的討論、操作、記錄或總結(jié)發(fā)言。

2、學生能了解單擺做簡諧運動的條件，理解此時的周期公式。

3、小組成員能相互配合設計出合理的實驗方案，并按照自己的實驗方案進行有計劃的探究。

4、小組成員能各司其職相互配合順利完成操作——如按教師的示范正確地組裝單擺、控制單擺在豎直面內(nèi)做簡諧運動、進行擺長和周期的相應測量。

5、學生能夠通過交流討論對自己的實驗方案有一個初步的評價或有改進的措施。

〖實驗材料〗

教師提供的材料有：鐵架臺、夾子、五號電池、二號電池、一號電池各若干、魚網(wǎng)線一卷。

學生自備的材料有：學生的學習用具和生活用品（如文具、手表等）〖實驗設計與實施〗 ※教師在講桌上用鐵架臺、魚網(wǎng)線和一節(jié)電池動手組裝一個單擺，介紹單擺模型和單擺做簡諧運動的條件，并觀察單擺的簡諧運動。

※對學生進行分組：相鄰的六人組成一個小組，小組成員要有明確的分工?！秩齻€階段對單擺做簡諧運動的周期進行研究。第一階段：理論預測和實驗設計階段（約8分鐘）教師提出問題：

1、猜測單擺做簡諧運動的周期可能與哪些因素有關(guān)？

2、如何設計實驗去證實你的猜測？

3、在實驗中應注意哪些問題？ 學生分小組討論。經(jīng)驗交流和總結(jié)：

1、猜測與單擺做簡諧運動的周期有關(guān)的因素可能來自三個方面：一是來自擺線——如擺長、擺線質(zhì)量等；二是來自擺球——如擺球的體積、質(zhì)量、形狀等；三是來自運動狀況——如振幅（或最大擺角）。

教師提示：根據(jù)單擺的模型，可以排除“擺線質(zhì)量”這一條，且擺線足夠長時，一般的小重物也可當作擺球，如本實驗中使用的電池，這樣，就又可以排除“擺球形狀”、“擺球體積”這兩條。這時，有學生提出：據(jù)簡諧運動的周期與振幅無關(guān)，可以直接排除“單擺的振幅”這一條；將單擺做簡諧運動的條件代入彈簧振子做簡諧運動的周期公式（有同學從參考書上了解到的），可以直接推出單擺做簡諧運動的周期公式。

教師進一步明確要求：本節(jié)課我們使用實驗的方法來探討影響單擺周期的因素；從理論上已經(jīng)得出結(jié)論的同學，可以用實驗來驗證你的結(jié)論。

2、設計的實驗方案——用單擺進行多次對比實驗，得出定性的結(jié)論。擺動中，擺角不要超過5°；對比實驗要用到控制變量法。第二階段：實驗實施和探究階段（約17分鐘）

教師提出啟發(fā)性問題：周期用什么辦法測？擺長怎么測？擺角怎么控制？ 學生邊思考邊動手探索。

第三階段：交流總結(jié)、得出成果階段（約10分鐘）

1、實驗結(jié)論：

單擺在擺角小于5°的情況下做簡諧運動，其周期與擺球的質(zhì)量無關(guān)，也與振幅無關(guān)。

單擺做簡諧運動的周期隨擺長的增大而增大，但周期與擺長之間不是正比關(guān)系（有兩組學生補充說明：周期的平方與擺長成正比）。（教師肯定學生的實驗成果，并補充：科學家通過大量事實得出——單擺做簡諧振動的周期公式為，其中，l為單擺的擺長，g為當?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

另外，對于剛才已經(jīng)從理論上推導出正確結(jié)論的小組給予肯定。）

2、實驗方法總結(jié)：

⑴如何測量周期？各組提供的方法有： ①用手表測量一個周期的時間；

②用手表測量多個周期的總時間再求平均值；

③兩組配合，同時從單擺運動的最高點釋放擺球，對比周期的長短。⑵如何測量擺長？各組提供的方法有： ①用課桌邊長進行測量； ②用手作尺進行測量； ③用學生用尺進行測量； ④用對折法確定長度關(guān)系。

⑶如何控制擺角？各組都使用量角器來控制。（教師補充：在已知擺長時也可以通過估算振幅來控制。）⑷實驗誤差分析（學生分析，教師補充）：

①因為周期太小，用手表直接測量一個周期時誤差較大。（教師補充：因為擺球的運動速率不同，所以計時起點的選擇也會影響到測量的精度。）②測量長度誤差較大或者只能進行定性對比。（教師補充：擺長的值應是在單擺自然懸掛時從懸點到擺球重心的距離。）⑸實驗可能的改進措施： 學生歸納：

①用累積法測周期，且應在擺球通過最低點時計時和計數(shù)。

②測量擺長時，使用更合適的儀器（如最小刻度為mm的米尺），并從懸點測到擺球中心。

③可以在多次測量后用計算結(jié)果說明問題；也可以根據(jù)所測數(shù)據(jù)用作圖法找尋規(guī)律。

④可以嘗試課后到蘭山的山頂（約海拔2050m）進行對比實驗，研究周期與重力加速度的關(guān)系。教師小結(jié)：

第一：這次實驗中，我們嘗試了物理學中最常見的研究方法： 觀察、實驗→理論預測、提出假設→實驗驗證→修改假設→實驗驗證??→形成理論。

第二：實驗的改進措施是我們總結(jié)實驗的經(jīng)驗和教訓得來的，在這次小實驗中，我們有成功的喜悅，也有各種各樣的遺憾，不過，這些遺憾可以通過后面的一個定量化的學生實驗——“用單擺測定重力加速度”來彌補。

※最后，由同學們根據(jù)各組的表現(xiàn)，頒發(fā)各種口頭獎勵：如“最具創(chuàng)意獎”、“最默契小組獎”、“最佳組間合作獎”、“最佳周期測法獎”、“最佳擺長控制獎”、“最節(jié)約材料獎”等等。

〖學生反饋〗

學生在實驗中興趣高漲，大多數(shù)學生都能積極地參與小組實驗活動。在實驗設計階段，學生在組內(nèi)的活動較多；第一次交流過后，有的小組已經(jīng)受到其他小組的啟發(fā)，及時調(diào)整了自己的策略；在實際操作階段，各組除了在實驗中摸索和調(diào)整方案外，組與組之間也有相互影響；第二次交流階段，各小組對本組的研究方案和實驗結(jié)論都能做出一個比較客觀的結(jié)論，并能對其他組的方案給出比較合理的評價。

通常，在做學生實驗“用單擺測重力加速度”之前，教師都要花半節(jié)課到一節(jié)課的時間給學生講授如何進行擺長和周期的測量，但還是會有許多學生在實驗中出錯。在進行了上述課堂小實驗后，學生對實驗中可能出現(xiàn)的問題已有所了解，并由他們自己總結(jié)了實驗的改進措施，所以教師在要求學生預習實驗的基礎(chǔ)上，沒有詳細講解實驗的細節(jié)，只是著重介紹了秒表的讀數(shù)規(guī)則，就放手讓學生去做，結(jié)果很多學生都按時完成了實驗，并得到了比較令人滿意的結(jié)果。

〖總結(jié)與反思〗

⑴側(cè)重于培養(yǎng)學生探究和解決問題能力的課堂小實驗對學生的要求較高，應分層次有步驟地進行

分層次是指對學生的要求要符合學生的實際水平。如，在測量周期的過程中，大多數(shù)小組都用手表直接測一次擺動周期，但有幾個小組在教師給出累積法測時間前就自行提出了這一方法。這時，對后幾個小組給予肯定的同時，也應肯定前一種方法，但可以指出它在本實驗中的誤差較大。有步驟是指探究過程中，教師控制著實驗進行的節(jié)奏，按照“提出問題、制訂方案→交流心得、修改方案→動手實驗、探索規(guī)律→交流總結(jié)、得出結(jié)論→進行評價”的程序進行的小實驗中，教師引導著學生的研究進程。盡管這樣的探究似乎還不完整，但在有限的課堂時間內(nèi)依然可以使學生感受到探索帶來的樂趣、學到探索知識的方法。⑵在以學生設計和動手實驗為主的小實驗中，教師的主導性體現(xiàn)在，適時給學生以具有啟發(fā)性的提示、在巡視中關(guān)注各小組的進程、幫助學生總結(jié)方法和結(jié)論，并盡可能保護學生的積極性和創(chuàng)造性。⑶課堂探究性小實驗應以定性和半定量實驗為主

首先是考慮到課堂時間有限，不可能將一個過于復雜的問題展開來進行研究，對于測量和計算方法也不能要求過高，所以課堂小實驗多采用定性和半定量實驗。

另外，定性和半定量的研究方法實際上也是物理學研究中不可或缺的重要方法。趙凱華教授在他的專著《定性與半定量物理學》中指出：“當一位成熟的物理學家進行探索性的科學研究時，常常從定性和半定量的方法入手。他們通過定性思考，半定量的試驗，力求先對問題的性質(zhì)、面貌取得一個總體的估計和理解，否則，一下子陷入細微末節(jié)的探討，往往會一葉障目，只見樹木，不見樹林?！盵1] ⑷建立4～6人組成的學習小組，一方面是使學生能與實驗材料近距離接觸，更有利于細致地觀察實驗現(xiàn)象；另一方面，學生可以在以小組為單位的實驗中，學會搜集和處理信息，學會和他人在學習過程中團結(jié)協(xié)作、交流并分享信息；還有，在實踐中發(fā)現(xiàn)，學生（尤其是物理學習水平中等偏下的學生）在小組學習過程中，更容易獲得自信。說明：這是本人學位論文中的一部分，略有修改。

[1] 轉(zhuǎn)引自葉瑞英，等.物理演示實驗開放教學的探討.物理實驗，2003，22（3），24～26.

第五篇：單擺的教學設計

《單擺》教學設計

高二物理組 梁永

一、教材分析

本節(jié)內(nèi)容為選修3—4第十一章《機械振動》中第4節(jié)“單擺”。

單擺的振動是簡諧運動的重要特例，教材中安排這節(jié)內(nèi)容，不僅使學生了解一種典型的簡諧運動，而且也對前面所學的簡諧運動概念起到加深理解和鞏固的作用。本節(jié)教材首先給出一個理想模型——單擺，結(jié)合生活經(jīng)驗與之前學習的知識，引導學生體驗、判斷單擺的運動是不是簡諧運動，然后通過演示實驗及其理論的分析得出單擺在擺角很小時的振動屬于簡諧運動；后又要求用實驗方法定性分析單擺的周期及用單擺測量重力加速度。教學中涉及到了較多的物理思想方法，如理想模型法、近似法、圖像法、控制變量法等，是高中物理的重要內(nèi)容之一。這樣使教材的容量變大，研究方法增多，對教師駕馭教材的能力提出了較高要求。本節(jié)教材的重點是引導學生通過實驗，研究和探索物理規(guī)律，使學生在理解和掌握物理規(guī)律的同時，充分認識物理學是一門實驗科學，提高實驗操作和研究能力。

二、學情分析

1、思維基礎(chǔ)

學生已經(jīng)初步有了探究事物的一般方法，即“是什么？──怎么樣？──為什么？”的思維方法。根據(jù)新課程重視“過程與方法”的教學理念和高二學生由直觀認識向邏輯推理、實驗推理過渡階段的認識特點，本設計中就通過創(chuàng)設問題情景，激勵學生自己提出想要研究的問題。

2、心理特點

依據(jù)高中生求異思維很活躍的特點，通過實驗和多媒體手段滿足學生渴望獲取新知識的需求學生在強烈興趣（名人事跡引入）的驅(qū)使下，利用已有知識進行新規(guī)律的探究，既有挑戰(zhàn)性，也有成就感。

3、已有知識

學生對機械振動的初步了解。在上這節(jié)課之前，通過前幾節(jié)內(nèi)容的學習，學生知道了簡諧振動的特點，通過生活中一種常見的模型——單擺，探究它的運動情況如何，從而萌發(fā)了學生繼續(xù)探究的興趣。

三、教學目標與重點、難點

知識與技能：知道單擺的概念，理解簡諧運動，掌握單擺的周期公式，并能用來進行有關(guān)的計算。過程與方法：采用理想化的方法建立物理模型，用控制變量法來研究物理問題，用近似處理方法來解決物理問題。

情感、態(tài)度、價值觀：通過實驗研究，養(yǎng)成耐心、細致的學習習慣和一絲不茍的科學態(tài)度，體驗科學探究的思想方法。

重點：單擺的周期公式及應用 難點：單擺回復力的分析

四、新課教學

（一）、復習回顧

1、什么是簡諧運動？做簡諧運動的物體回復力有什么特點？

2、做簡諧運動物體的回復力具有什么特征？

（二）、新課探究

1、單擺（1）、定義：在細線的一端拴上一個小球，另一端固定在懸點上，如果細線的伸縮和質(zhì)量可以忽略不計，球的直徑比線長短得多，這樣的裝置叫單擺。（2）、單擺的運動

驗證單擺作簡諧運動的兩種方法： 運動學圖像或動力學關(guān)系F=-kx平衡位置在哪兒？ 回復力指向？

單擺受哪些力？回復力由誰來提供？

回復力與位移之間滿足什么關(guān)系？（3）、單擺做簡諧運動的條件

當最大擺角很?。é龋?0）時，單擺在豎直面內(nèi)的擺動可看作是簡諧運動（4）、引入案例

2、單擺周期的影響因素

猜想并利用控制變量法進行驗證實驗

（1）單擺振動周期與振幅無關(guān)——等時性（2）單擺振動周期與質(zhì)量無關(guān)（3）單擺振動周期和擺長有關(guān)：

擺長越長，周期越長。

3、單擺的周期公式

T?2?Lg（1）、單擺周期與擺長和重力加速度,擺長有關(guān)，與振幅和質(zhì)量無關(guān)。（2）、擺長、重力加速度都一定時，周期和頻率也一定，通常稱為單擺的固有周期和固有頻率。

4、單擺的應用（1）、計時器（2）、測定重力加速度

（三）、課堂鞏固

（四）、課堂小結(jié)

（五）板書設計

單擺

一、單擺

1、定義

2、單擺的運動

3、單擺做簡諧運動的條件

二、單擺的周期公式

T?2?Lg