高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册第二章 机械振动1 简谐运动公开课教案

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册第二章 机械振动1 简谐运动公开课教案，共10页。教案主要包含了弹簧振子，弹簧振子的位移—时间图像，简谐运动等内容，欢迎下载使用。

备课人
学科
物理
课题
2.1 简谐运动
教学内容分析
本节在节前“问题”中列举了多个实例，通过让学生归纳共同点来引出机械振动的概念；而后从运动学的角度认识弹簧振子，通过实验得出弹簧振子的位移一时间图像；再通过数据分析发现弹簧振子的位移一时间图像是正弦曲线。简谐运动可以根据运动学和动力学特征分别进行定义，本节根据运动学特征给出了简谐运动的定义。本节的重点是形成简谐运动的概念和认识它的位移一时间图像，难点是弹簧振子理想化模型的建构和简谐运动位移与时间函数关系的得出。
学情分析
高二的学生已具有运动学和动力学的基本知识，对高中物理的学习要求和方法已具有一定的认识，但在大小和方向都做周期性变化的力的作用下的物体运动还是第一次遇到，对这种运动模式的运动形式没有抽象认识；很难对较为复杂的运动有清晰的认识。为此，如何帮助他们建立合理的简谐运动情景是教学的关键。在课堂教学上首先通过实验演示给学生以直观的感受，创设学习的良好情景；再引导学生观察、思考、讨论应用描点、描迹法、验证法、拟合法、类比法等科学方法得出初步的简谐运动规律，然后再次通过观察、思考、讨论得出正确而科学的结论。由此培养学生的观察能力、空间想象能力、协同学习的能力和科学的思维能力，使学生的学习过程变得轻松而高效，并且同步培养学生自主学习的能力，为学生的可持续发展提供必要的训练。
教学目标
1.通过实验观察，认识机械振动。会运用理想化方法建构弹簧振子模型。
2.通过观察、分析和推理，证明弹簧振子的位移一时间图像是正弦曲线，会用图像描述简谐运动。
3.经历探究简谐运动规律的过程，能分析数据、发现特点，形成结论。
教学重难点
1.教学重点：弹簧振子位移随时间的变化规律及相应的x-t图像的理解
2.教学难点：准确理解简谐运动x-t图像的物理意义
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
新课导入
观察下图几个常见的运动，具有什么共同特点？
特点: 上述物体总是在某一位置附近做往复性的运动。
学生尝试总结图片的共同运动特点。
利用学生身边的事情引发学生思考物理问题，引导学生观察生活，发现生活
新课教学
一、弹簧振子
（一）机械振动
请同学们阅读课文，结合前面的例子总结机械振动的定义和特点。
在学生总结的基础上，和学生共同完善机械振动的定义和特点：
1.定义：我们把物体或物体的一部分在一个位置附近的往复运动称为机械振动 ，简称振动。
2.特征：
(1)有一个“中心位置”，也是振动物体静止时的位置；
(2)运动具有往复性。
提出问题：你能举出生活中，机械振动的其他例子吗？
展现情境思考，并采用以下问题分步引导：
如图 ，把一个有小孔的小球连接在弹簧的一端，弹簧的另一端固定，小球套在光滑的杆上，能够自由滑动。弹簧的质量与小球相比可以忽略。小球运动时空气阻力很小，也可以忽略。弹簧未形变时，小球所受合力为 0，此时小球处于O点。把小球拉向右方，然后放开，小球是否会做机械振动？请尝试从理论证明。
【分析】
小球在回到O点前，小球做什么运动？
提示：小球在回到O点时，小球做加速运动。
（2）小球在回到O点时，小球做受力情况如何？速度如何？
提示：小球回到O点合力为0，此时小球速度达到最大。
（3）小球在回到O点向左运动后将做什么运动？
提示：小球做减速运动。
（4）小球减速至0后，小球会停下来吗？为什么？
提示：小球不会停下来，因为其所受合力不为0。
现在，你能说明小球的运动是否属于机械振动了吗？
提示：小球以O点为中心位置，在O点附近做往复运动，故小球的运动属于机械振动。
推导结束后后让学生用实验证明。
请学生阅读课文，总结弹簧振子的定义，然后和学生一同总结弹簧振子的容。
1.定义:小球和弹簧所组成的系统称作弹簧振子，有时也把这样的小球称做弹簧振子或简称振子。
2.条件:
（1）忽略摩擦力等各种阻力；
（2）小球看成质点；
（3）忽略弹簧质量;
（4）弹簧始终在弹性限度内。
3.O点为平衡位置：物体原来静止时的位置
4.拓展思考：弹簧振子的平衡位置一定在弹簧的原长位置吗？
不一定。如图所示，用手把钢球向上托起一段距离，然后释放，钢球便上下振动，其振动的平衡位置不在弹簧的原长位置，而是在弹力与重力的合力为零的位置。
学生阅读课文并总结机械振动的定义和特点。
学生举例子
学生在在老师和导学案的分步引导下总结小球的运动，最后总结得出弹簧做的运动属于机械振动。
学生观看实验。
学生回答尝试会的弹簧振子不在弹簧原长的情况。
定义学生可以在课文总阅读总结，特点需要根据以上的例子总结，培养锻炼学生观察总结能力。
加深学生对机械振动的理解。
通过对弹簧振子的运动分析，再次加深对机械振动的理解。
培养学生利用实验验证推论，采用实验加推理结合，加深学生对实验的理解，同时再次感受物理抽象模型建立的过程。
加深学生对机械振动和平衡位置的理解。
二、弹簧振子的位移—时间图像
（一）弹簧振子的位移
展示一下问题，让学生阅读课文，并将一下填空补充完整：
1.振子在某时刻的位移：从平衡位置指向振子在该时刻位置的有向线段；若规定振动质点在平衡位置右侧时位移为正，则它在平衡位置左侧时位移为负。
例如：振子在MM′之间振动，O为平衡位置，振子的在某时刻的位移x情况：
O→M:x的大小增大，方向始终向右。
M→O:x的大小减小，方向始终向右。
O→M´:x的大小增大，方向始终向左。
M´→O:x的大小减小，方向始终向左。
2.振子在某段时间内的位移：由初位置指向末位置的有向线段。
3.提出问题，请说明振子在某时刻的位移与在某段时间内的位移的区别？
在学生回答基础上补充回答：振子在某时刻的位移方向总是背离平衡位置．如图所示，振子在AA′之间振动，O为平衡位置，t1时刻振子在M点的位移为xM，t2时刻振子在N点的位移为xN。
而振子在Δt＝t2－t1时间内的位移为xMN，方向如右图所示．
教师补充：通常说的振子的位移是指某时刻的位移，即振子相对平衡位置的位移。因此在研究振动时，字母x具有双重含义：它既表示小球的位置(坐标)，又表示振子在某时刻的位移。
提出问题：怎样才能得到小球位移与时间的关系？
1.图象的建立：用横坐标表示物体运动的时间t，纵坐标表示振动物体运动过程中相对平衡位置的位移x，建立坐标系，如图．
图像的获取方式（教师介绍方法，展示实验视频）
方法一：手动描图法
以小球的平衡位置为坐标原点，规定水平向右为正方向，横轴为时间 t，纵轴为位移 x。在坐标系中标出各时刻小球球心的位移，用曲线将其连接在一起，得到振动图像，如图所示：
方法二：频闪照相法
因为摄像底片做匀速运动，底片运动的距离与时间成正比。因此，可用底片运动的距离代表时间轴，振子的频闪照片反映了不同时刻振子离开平衡位置的位移，也就是位移随时间变化的规律。
方法三：用传感器和计算机描绘图像
学生阅读课文，并将填空部分补充完整
学生根据前面的内容的填写回答区别。
学生和老师共同总结实验步骤，观看实验视频，然后根据实验视频和教师提供器材，完成实验。
该处要是为学生准备知识，为后面的学习探究坐下铺垫。
加深学生对某时刻位置与某段时间位移的概念。
实验设计对于学生来说有难度，让学生完成实验，体会用实验分析问题能力。
三、简谐运动
（一）图像分析
根据实验结果：这些图中画出的小球运动的x—t图象很像正弦曲线，是不是这样呢？如何验证？
方法一：正弦函数代入法
(1)假定所得曲线是正弦曲线，测量它的振幅和周期，写出对应的正弦函数表达式；
(2)在图中选小球若干个位置，用刻度尺在图中测量纵坐标，将每个位移对应的振动时间代入表达式求出函数值，比较这一函数值与测量值，看是否相等，若可视为相等，则这条曲线就是正弦曲线。
方法二：计算机函数图像耦合法
在图中，测量小球在各个位置的横坐标和纵坐标。把测量值输入计算机中，作出这条曲线，看一看小球的位移—时间关系是否可以用正弦函数表示。
结论：弹簧振子沿一直线做往复运动，其轨迹为一直线，而它的振动图像却是正弦曲线。
简谐运动
请同学们于课文总结什么是简谐运动？
1.定义：如果物体的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即它的振动图像（x-t图像）是一条正弦曲线，这样的振动是一种简谐运动。简谐运动是最基本的振动。
简谐运动的图像有什么物理意义？
2.图象意义:表示一个振子不同时刻所在的位置或者一个振子位移随时间的变化规律。
我们能从简谐运动图像上获取哪些信息？
3.获取信息
①任意时刻质点的位移的大小和方向。如图甲所示，质点在t1、t2时刻的位移分别为x1和－x2。
②任意时刻质点的振动方向：看下一时刻质点的位置，如图乙中a点，下一时刻离平衡位置更远，故a此刻向上振动。
③任意时刻质点的速度、加速度、位移的变化情况及大小比较：看下一时刻质点的位置，判断是远离还是靠近平衡位置，若远离平衡位置，则速度越来越小，加速度、位移越来越大，若靠近平衡位置，则速度越来越大，加速度、位移越来越小，如图乙中b，从正位移向着平衡位置运动，则速度为负且增大，位移、加速度正在减小，c从负位移远离平衡位置运动，则速度为负且减小，位移、加速度正在增大。
学生尝试回答验证小球运动图像是否是正玄曲线的办法。
学生根据自己实验结果带点验证实验曲线是否是正弦函数。然后可以得出结论。
学生阅读课文思考问题。
学生尝试回答问题。
学生根据图象尝试回答问题。并与其他同学交流。
学会多渠道分析实验数据。
锻炼学生阅读并提取信息能力。
进一步理解图像的物理意义。
锻炼学生读图能力。
课堂总结
动量定理的应用
板书设计
第1节 机械振动
作业设计
作业分为两块，一是课堂练习，旨在对本堂课学习中动量的概念和实验思路进行检测，一是分层练习，分层次的训练学生对知识的掌握情况。
教学反思与评价
此次教学中，我主要采用了课堂讲授、互动探究和组织讨论等教学方法，以及设计实验现象、引导学生自行探究和总结规律等方法。这些教学方法能够更好地激发学生的学习兴趣和好奇心，提高学生的主动性和参与性。除此之外，我还加强了与学生之间的互动，让课堂变得更加活跃有趣。
在教学过程中，我发现学生对单自由度谐振动的概念和运动规律的理解较为困难，需要反复讲解并加以引导。同时，学生对阻尼振动和强迫振动的特征和规律掌握程度也不够，需要更细致地讲解并加强练习。教学中，我需要不断地加强思考和总结，不断改进教学方法，帮助学生更好地掌握物理知识。