单摆研究性学习教学尝试(大成中学许曼平孙正兵).doc

“单摆”研究性学习教学尝试许曼平 孙正兵(北京市大成学校 北京 100039)北京教育学院丰台分院 吴勤智审稿2000年3月教育部颁布了全日制普通高级中学课程计划（试验修订稿）。该计划明确将研究性学习列为普通中学的必修课，即研究性课程。这项课程改革目的在于进一步贯彻素质教育的思想，突出主动探究式的学习方法，旨在全面培养学生综合运用所学知识的能力，搜集和处理信息的能力，分析和解决问题的能力，语言文字表达能力的以及团结协作的能力。该项改革还有利于培养学生的独立思考的习惯，激发学生的创新意识。物理是一门以实验为基础的学科。研究性课程的开设为中学物理学提供了的更为广阔的天地，当然也对中学物理的教学方法和教学模式提出了新的要求。笔者在高中物理第一册（必修）“单摆”一课的教学中进行尝试，以探究的方式引导学生学习，把教师的教转化为学生研究性的学，运用信息技术解决物理学习的实际问题 ，体现信息技术与物理课程的整合，引导学生从物理观察、实验获得第一手数据，再使用计算机进行处理，以实现建立科学描述物理过程本质特征数学模型的目的。1设计方案（1）在观察单摆振动的基础上，把你认为影响单摆周期的因素，排列出来。（为了便于抓住主要因素，建议在分析比较的基础上，对本实验列出的因素以不超过4项为宜）（2）选择实验器材、确定实验流程、明确需要采集的数据和记录的方式，按照操作规范进行实验，由23人组成实验小组，各小组分别研究不同的摆长，对全班同学测量数据输入计算机进行处理数据。（3）用Excel绘制TX散点图。依据数据点分布的整体，选择适当的函数进行拟合，得到对应的函数式。2课前准备（1） 教学在实验室进行，学生2人一组，每组备有下列实验器材：铁架台及铁架、中心有小孔的金属小球（或塑料球）、约1m的细线、秒表、刻度尺。（2） 实验记录的表格（3） 笔记本电脑及投影仪3。教学过程（1）巧妙引入，提出问题教师：什么是简谐振动答：物体做机械振动，受到的回复力大小与位移大小成正比，方向与位移方向相反。前节课我们学习了弹簧振子，了解简谐振动和振动周期。日常生活中我们常常见到钟表店摆钟摆锤的振动，这种振动有什么特点，根据什么原理制成的？钟摆类似于物理上一种理想模型单摆，今天我们就来学习单摆。（2）启发引导，实验探索教师拿出单摆展示，同时介绍单摆的构成在一个固定的悬点下，用一根不可伸长的细绳，系住一个小球，在竖直平面内小角度地摆动，单摆要求绳子轻而长，小球要小而重。单摆振动在某一平衡位置附近来回振动，这个平衡位置就是绳子处于竖直的位置。学习机械振动，曾经提到机械振动的两个必要条件，一是运动中物体所受阻力足够小，二是物体离开平衡位置后，总是受到回复力的作用。对于第一条件单摆是符合的，单摆绳要轻而长，要求小球小而重都是为了减少阻力，第二条件回复力，提问：单摆的回复力由谁来提供？（展示幻灯片）单摆的回复力要分析单摆回复力，先从单摆受力入手，单摆从A位置释放，沿AOB圆弧在平衡点O附近来回运动，以任一位置C为例，此时摆球受重力G，拉力T作用，由于摆球沿圆弧运动，所以将重力分解成切线方向分力G1和沿半径方向G2，悬线拉力T和G2的合力必然沿半径指向圆心，提供向心力，那么 另一重力分力G1不论在O左侧还是右侧始终指向平衡位置，而正是G1作用下摆球才能回到平衡位置。（此处再复习平衡位置与回复力关系？平衡位置是回复力为零的位置）因此G1就是单摆的回复力。回复力怎么表示？单摆振动是简谐振动推导证明，摆动角度50，单摆的回复力为大小：FKx K= 方向：与位移方向相反弹簧振子系统和单摆都是简谐运动，从回复力上说，虽然具有同一特征，但由不同的力来提供，弹簧振子回复力是弹力，单摆则是重力的一个分力。弹簧振子系统周期与振幅无关，单摆的周期和振幅有什么关系，还与哪些因素有关？下面我们做实验来看一看。单摆的周期启发学生思考周期可能与哪些因素有关，单摆振幅、摆球质量、摆长，采用控制变量法。【演示1】两个相同的单摆（在摆角较大时），做振幅大小不等的振动现象：两摆振动的快慢不同（不同步）即在摆角较大时，改变振幅大小，单摆的振动周期不相同。【演示2】将摆长相同，质量不同的摆球拉到同一高度释放。现象：两摆球摆动是同步的，即说明单摆的周期与摆球质量无关，不受影响。【演示3】将摆长相同，摆角小于50的情况下，两个摆球从不同高度释放。现象：摆球同步振动，说明单摆的振动周期和振幅无关。【演示4】 取摆长不同，注意50，周期与摆长关系，学生分组实验（3）分析归纳，得出结论按事先编排顺序分别测量单摆摆长从10cm120cm的周期，说明一下，为了节省时间每两组测同一的摆长，把全班分成23 组，每摆长增加10cm 为一组，分别把全班学生实验数据输入计算机，学生一边做实验，一边收集数据，让一个学生专门在计算机操作，这样，学生做完实验，数据基本输入完，然后用Excel画曲线从图象可知在画出三条曲线中，测量点与曲线符合最好的是图象（1）（即R2越接近于1），显然是乘幂函数，这里x代表摆长，y代表周期，可以写成，即T成正比，其中比例系数为近似2。实际上单摆的周期公式与摆长定量数学关系已经从实验得出来了，更进一步说明比例系数2与哪些常数有关，这里不给出推导直接给出近似等于2，这样单摆的周期公式。证明50，时，T2=(4)简要小结，布置作业这节课我们通过实验探索和Excel处理数据得出单摆的周期公式，提供学生一种处理问题一种研究方法。对教材进行科学处理，避免了课堂上教师讲解式的教、学生被动接受式的学，通过师生合作互动、实验探索，营造了民主、和谐的学习环境，为学生今后独立进行科学研究作一个示范，亲自实践参与知识的发现过程是培养学生能力的关键，离开实践活动，物理教学就成无源之水，无本之木，在教学过程加强课堂演示实验和学生的分组实验来探索问题是培养学生解决实际问题能力的需要。使学生获得理解性知识，又培养了学生的动手实验能力和创造发明意识。应用信息技术深化对为了现象的认识，提高分