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    高中物理选修3-4第十一章 机械振动4 单摆教案设计

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    这是一份高中物理选修3-4第十一章 机械振动4 单摆教案设计

    第四课时 单摆 教学目标 一、知识目标 1.知道什么是单摆; 2.理解摆角很小时单摆的振动是简谐运动; 3.知道单摆的周期跟什么因素有关,了解单摆的周期公式,并能用来进行有关的计算; 4.知道用单摆可测定重力加速度. 二、能力目标 1.通过单摆的教学,知道单摆是一种理想化的系统,学会用理想化的方法建立物理模型. 2.通过单摆做简谐运动条件的教学,体会用近似处理方法来解决物理问题. 3.通过研究单摆的周期,掌握用控制变量的方法来研究物理问题. 4.培养学生的观察实验能力、思维能力. 三、德育目标 1.单摆在小角度情况下做简谐运动,它既有简谐运动的共性,又有其特殊性,理解共性和个性的概念. 2.当单摆的摆角大小变化时,单摆的振动也将不同,理解量变和质变的变化规律. 教学重点 1.了解单摆的构成. 2.知道单摆的回复力的形成. 3.单摆的周期公式. 教学难点 1.单摆做简谐运动的条件——摆角小于或等于5°时的振动. 2.单摆振动的回复力是由什么力提供的. 3.单摆振动的周期与什么有关. 教学方法 1.关于单摆的构成的教学——采用问题教学法.电教法和讲授法进行. 2.关于单摆的振动.单摆做简谐振动的条件及单摆回复力的教学——采用分析归纳法、电化教学法、讲授法、推理法进行. 3.关于单摆在摆角很小时做简谐运动的证明——采用数学公式推导法、实验验证法进行. 4.关于单摆周期的教学——采用猜想、实验验证、分析推理、归纳总结的方法进行. 教学用具 投影仪、投影片、纸漏斗、细线、硬纸板、支架、沙子、单摆、秒表、米尺、条形磁 铁、多媒体教学设备。 教学步骤 用投影片出示本节课的学习目标 1.了解单摆的构成; 2.知道单摆回复力的成因; 3.掌握单摆周期公式,并能简单应用周期公式解决实际问题. 学习目标完成过程 一、导入新课 1.教师提问:用投影片出示下列问题: ①什么样的运动叫简谐运动? 学生回答:物体在跟偏离平衡位置的位移大小成正比,并且总指向平衡位置的回复力作用下的振动,叫简谐运动. ②简谐运动的位移——时间图象具有什么特点? 学生回答:所有简谐运动的位移时间图象都是正弦或余弦曲线. ③什么是简谐运动的周期? 学生回答:做简谐运动的物体完成一次全振动所用的时间,叫做振动的周期. 2.引入: ①讲述故事(提前随即安排学生做好准备时间1分钟) 1862年,18岁的伽利略离开神学院进入比萨大学学习医学,他的中充满着奇妙的幻想和对自然科学的无穷疑问,一次他在比萨大学忘掉了向上帝祈祷,双眼注视着天花板上悬垂下来摇摆不定的挂灯,右手按着左手的脉搏,口中默默地数着数字,在一般人熟视无睹的现象中,他却第一个明白了挂灯每摆动一次的时间是相等的,于是制作了单摆的模型,潜心研究了单摆的运动规律,给人类奉献了最初的能准确计时的仪器. ②引入新课:本节课我们就来学习这一理想化模型——单摆(板书) 二、新课教学 1.什么是单摆 (1)学生自学阅读课文有关内容. (2)学生回答什么是单摆. 如果悬挂小球的细线的伸缩和质量可以忽略,线长又比球的直径大得多,这样的装置叫单摆. (3)激励评价(回答得很好)并提出问题:为什么对单摆有上述限制要求呢? (4)教师讲解: ①线的伸缩和质量可以忽略——使摆线有一定的长度而无质量,质量全部集中在摆球上. ②线长比球的直径大得多,可把摆球当作一个质点,只有质量无大小,悬线的长度就是摆长. (5)总结:通过上述学习,我们知道单摆是实际摆的理想化的物理模型.(教师引导从前学过的物理模型引申为物理研究的一种科学方法) 2.单摆的摆动 (1)介绍单摆的平衡位置. ①出示一个单摆. ②分析:当摆球静止在O点时,摆球受到哪些力的作用?这些力有什么关系? ③抽学生回答:摆球受到重力G和悬线的拉力作用,这二个力是平衡的. ④教师强调总结:当摆球静止于O点时,摆球受到的重力G和悬线的拉力F′彼此平衡,O点就是单摆的平衡位置. (2)单摆的摆动 ①演示:用力将摆球拉离平衡位置,使摆线与竖直方向成一角度,然后释放,并用CAI课件模拟. ②提问:同学们认为摆球做什么运动? ③学生可能答:以悬挂点为圆心在竖直平面内做圆弧运动. 学生还可能答:摆球以平衡位置O为中心振动. ④教师总结,摆球沿着以平衡位置O为中点的一段圆弧做往复运动,这就是单摆的振动. ⑤问:是什么原因导致摆球以平衡位置O为中点的一段圆弧做往复运动呢? 用CAI课件模拟摆球所做的运动. 分析:(如图甲) 摆球被拉到位置a时,摆球受到重力mg,绳的拉力F′,且mg与拉力F′不再平衡,所以摆球在这两个力的共同作用下,将沿以O为中点的一段圆弧做往复运动. 3.关于单摆的回复力 ①老师说明:在研究摆球沿圆弧的运动情况时,要以不考虑与摆球运动方向垂直的力,而只考虑沿摆球运动方向的力,如图乙所示. ②因为F′垂直于v,所以,我们可将重力G分解到速度v的方向及垂直于v的方向.且G1=Gsinθ=mgsinθG2=Gcosθ=mgcosθ ③说明:正是沿运动方向的合力G1=mgsinθ提供了摆球摆动的回复力. (4)关于单摆做简谐运动的条件 ①推导:在摆角很小时,sinθ= 又回复力F=mgsinθ F=mg·(x表示摆球偏离平衡位置的位移,l表示单摆的摆长) ②师生分析得到:在摆角θ很小时,回复力的方向与摆球偏离平衡位置的位移方向相反,大小成正比,单摆做简谐运动. ④教师讲:我们知道简谐运动的图象是正弦(或余弦曲线),那么在摆角很小的情况下,既然单摆做的是简谐运动,它振动的图象也是正弦或余弦曲线. ⑤做课本图9~19的演示实验,并用实物投影仪投影——漏斗的漏砂落到匀速拉动的硬纸板上形成的图象是简谐运动的图象. ⑥总结:从理论上和实际得到的图象中均可看出:在摆角很小的情况下,单摆做简谐运动. 3.单摆振动的周期 (1)提出问题:决定单摆振动的周期的因素有哪些? (2)学生进行猜想 单摆振动的周期可能与振幅、摆球质量、摆长、重力加速度及空气阻力有关. (3)教师说明:在摆角很小时,空气阻力较小,可以忽略. (4)学生分组做对比实验 ①对比实验 甲组:当摆长为1m时,使振幅A1=8 cm,测出单摆的周期T1. 乙组:当摆长为1m时,使振幅A2=5cm,测出单摆的周期T2. ②对比实验 甲组:当摆长为1m时,使摆球质量为m,测出单摆的周期T2. 乙组,当摆长为1m时,用橡皮泥均匀地粘在摆球周围,测出单摆的周期T2′. ③对比实验 甲组:当摆长为1m时,使用一定的质量的摆球,测出单摆的周期T3. 乙组:当摆长为0.64m时,使用和甲组质量相同的摆球,测出单摆的周期T3′. ④对比实验 甲组:单摆的摆球用铁球(质量为m);测出单摆的周期T4. 乙组:在甲组单摆摆球的平衡位置下方放一块磁铁(相当于重力加速度增大)测出单摆的周期T4′. ⑤各组对实验结果分析比较后,总结得到:单摆摆动的周期与单摆的振幅无关,与单摆的摆长、重力加速度有关. ⑥教师讲: 荷兰物理学家惠更斯研究了单摆的摆动,定量得到:单摆的周期T=2π,即单摆振动时具有如下规律: a.单摆的振动周期与振幅的大小无关——单摆的等时性. b.单摆的振动周期与摆球的质量无关. c.单摆的振动周期与摆长的平方根成正比. d.单摆的振动周期与重力加速度的平方根成反比. 三、巩固练习 1.单摆由________和成______组成,保证单摆做简谐运动的关键控制因素是_____. 2.秒摆的周期是______(g=9.8 m/s2)时,秒摆的摆长大约是_______米.(取两位有效数字) 3.一个做简谐运动的单摆,如果将它的摆角变小,下列说法正确的是 A.振动时的总能量不变 B.振幅不变 C.振动周期不变 D.振子到达平衡位置时的速率不变 4.关于单摆做简谐运动的回复力正确的说法是 A.就是振子所受的合外力 B.振子所受合外力在振子运动方向的分力 C.振子的重力在运动方向的分力 D.振子经过平衡位置时回复力为零 参考答案: 1.摆线;摆球;摆角不超过5° 2.2秒,0.99 3.C 4.BCD 四、小结 通过本节课学习,我们知道: 1.单摆是一种理想化的振动模型,单摆振动的回复力是由摆球重力沿圆弧切线方向的分力mgsinθ提供的. 2.在摆角小于5°时,回复力F=-x.单摆的振动可看成简谐运动. 3.单摆的振动周期跟振幅、摆球质量的大小无关,跟摆长的平方根成正比,跟重力加速度的平方根成反比,即T=2π. 五、作业 (一)课本P170练习四 (二)思考题 1.如右图所示,光滑轨道的半径为2m,C点为圆心正下方的点,A、B两点与C点相距分别为6cm与2cm,a、b两小球分别从A、B两点由静止同时放开,则 两小球相碰的位置是_______. A.C点 B.C点右侧 C.C点左侧 D.不能确定 2.用空心铁球内部装满水做摆球,若球正下方有一小孔,水不断从孔中流出,从球内装满水到水流完为止的过程中,其振动周期的大小是______. A.不变 B.变大 C.先变大后变小再回到原值 D.先变小后变大再回到原值 3.一单摆的摆长为40cm,摆球在t=0时刻正从平衡位置向右运动,若g取10 m/s2,则在1s时摆球的运动情况是_______. A.正向左做减速运动,加速度正在增大 B.正向左做加速运动,加速度正在减小 C.正向右做减速运动,加速度正在增大 D.正向右做加速运动,加速度正在减小 4.一个摆钟从甲地拿到乙地,它的钟摆摆动加快了,则下列对此现象的分析及调准方法的叙述中正确的是_______. A.g甲>g乙,将摆长适当增长 B.g甲>g乙,将摆长适当缩短 C.g甲<g乙,将摆长适当增长 D.g甲<g乙,将摆长适当缩短 5.一个单摆挂在电梯内,发现单摆的周期增大为原来的2倍,可见电梯在做加速运动,加速度a为_______. A.方向向上,大小为g/2 B.方向向上,大小为3g/4 C.方向向下,大小为g/4 D.方向向下,大小为3/4g 6.将单摆摆球拉到悬点后由静止释放,到摆线伸直的时间为t1,将摆球拉开使摆线与竖直方向的夹角为3°,从静止放开摆球回到平衡位置的时间为t2,则t1∶t2=______. 7.如图为一双线摆,二摆线长均为l,悬点在同一水平面上,使摆球A在垂直于纸面的方向上振动,当A球从平衡位置通过的同时,小球B在A球的正上方由静止放开,小球A、B刚好正碰,则小球B距小球A的平衡位置的最小距离等于_________. 参考答案1.A 2.C 3.D 4.C 5.D 6.2∶π 7.lin 六、板书设计 ①组成 摆线—结实的不可伸长的细线,线长比球的直径大得多 摆球—选用密度大的实心球 理论证明:(θ很小时) ①回复力F=mgsinθ 单 ②单摆在摆 ②F与x方向相反 摆 角很小时 ③F= 实验验证:用砂摆的图象验证 ③单摆的周期 与振幅无关——等时性 T=2 与摆长的二次方根成正比 与重力加速度的二次方根成反
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