高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册4 单摆一等奖教学设计及反思

这是一份高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册4 单摆一等奖教学设计及反思，共10页。教案主要包含了实验思路，数据分析，方案设计等内容，欢迎下载使用。

备课人
学科
物理
课题
2.5 实验：用单摆测重力加速度
教学内容分析
用单摆测量重力加速度是高中阶段精度比较高的实验。教材按照实验设计及操作的一般步骤，先介绍实验思路，依据周期公式让学生“想一想，要根据上式测量重力加速度，需要测量哪些物理量？应该如何设计实验装置、选择实验器材？怎样才能减小实验误差？”在学生思考和讨论的基础上，进而描述实验装置和物理量的测量方法，提出常用的数据分析方法。为了保证实验的精度，本节教材对减小实验误差非常重视，在实验装置设计上引导学生思考如何减小实验误差；在“思考与讨论”中要求学生讨论如何选择摆线、摆球，以及摆线的悬挂方式；在摆长、周期的测量环节，分别提供两种测量方式进行对比，引导学生讨论后根据测量需要进行选择；在数据分析时引导学生采用图像法减小实验误差。
本节教学的重点是单摆摆长和周期的测量及实验误差分析。单摆摆长和周期的测量是完成本实验的基础，也是实验误差的主要来源。实验数据处理和误差分析是本节的教学难点。学生虽已经具备利用单摆周期公式求重力加速度的能力，但在通过测量和数据处理来提高实验精度方面存在不足。学生知道“平均值法”能减小偶然误差，但对用图像法处理实验数据还不够熟练。
学情分析
本节实验是单摆的周期公式的重要应用，是体会物理知识在实际生活中应用的重要机会，是学习科学探究方法和实验操作技能的重要实验。通过前面对简谱运动的特征及单摆的周期公式的学习，学生在理论层面应不存在问题，学习困难主要体现在实验操作、数据处理、误差分析等方面。
学生学习本节的困难主要在以下几点：
选用基本的实验器材.在计时仪器、长度测量仪器等的选择与使用上，学生可能存在一定困难。
(2)实验操作细绳上端的悬挂、摆长的测量、摆的振幅把握等，学生要准确操作有一定难度为何取摆球到达最低点位置的时刻作为计时开始与停止的时刻，学生在理解上有一定困难。
(3)实验数据的分析处理.根据单摆的周期公式，分别应用计算法、图像法分析处理实验数据，得到当地的重力加速度g,学生在应用上有一定困难。
(4)科学态度与责任的培养。实验具体操作并不复杂，学生能够很快完成，但学生不一定能认真规范地完成实验操作，准确记录实验数据，尊重原始测量数据，需要教师帮助他们养成良好的实验素质和科学精神。
教学目标
1.会依据单摆周期公式确定实验思路。
2.能设计实验方案，会正确安装实验装置并进行实验操作。
3.能正确使用刻度尺测量单摆的摆长，能正确使用停表测量单摆的振动周期。
4.能正确处理数据，测出当地的重力加速度。
5.能从多个角度进行实验误差分析。
教学重难点
1.教学重点：实验设计思路、实验原理及实验过程中的注意事项；
2.教学难点：用两种方法进行数据处理及实验误差分析。
教学过程
教学环节
教师活动
学生活动
设计意图
新课导入
提出问题：如果你是技术人员，摆钟销售公司让你帮助上节课的广东人修理摆钟，让摆钟及时更准确，你先要掌握那些数据才可以进行技术调节？
在学生交流之后，教师总结：提示：由 ，先知道当地的重力加速度g的值，然后计算出准确的摆钟钟摆长度。
提出问题：你有哪些办法得到当地的重力加速度呢？
待学生分享后，提示：测量当地物体下落h高度时的时间t,然后可以计算重力加速度g;
同天平测量物体的质量，然后用弹簧测力计测出物体的重力即可测出当地的重力加速度g... ...
能否用单摆来测量呢，如果用单摆测量，需要测量那些物理量呢？
学生结合所学知识尝试回答问题，并与其他同学交流。
学生思考并回答。
创设情境，引入新课
引导学生学会系统思考问题。
新课教学
一、实验思路
在学生回答引入课题问题归纳补充情况下，和学生总结本实验的实验思路：
单摆在偏角很小(如小于5°)时的摆动，可以看成是简谐运动。
其周期为：
由此可得：
只要想办法测量出单摆的摆长l和周期，带入中就可以计算得出本地重力加速度g。
学生先分享实验思路，然后与其他同学交流分享。
物理学习的关键是学会用已知知识去解决实际问题，而解决时间问题的办法是实验，培养需实验思路远比实验操作更重要。
物理量的测量
（一）实验器材
提出问题1： 线有粗细、长短的不同，伸缩性也有区别。不同的小球，质量和体积有差异。想一想，应如何选择摆线和摆球？为什么？
学生总结回答后，教师提炼总结：线的选择：细一些、适当长一些（本实验要求1m左右）。不可伸长，且细线质量相对于摆球质量可忽略。
摆球的选择：半径小一些（远小于摆线长度）、质量大一些。
这样做成的装置才符合单摆模型，当摆角小于5°时，才可看成简谐运动，摆动周期 。
问题2：下图画出了细线上端的两种不同的悬挂方式。应该选用哪种方式？为什么？你还有更好的设计吗？
学生总结回答后，教师提炼总结：应选用乙方式悬挂，因为相对于甲装置，乙装置在单摆摆动过程中摆长不变，且可调整摆长。
（二）物理量的测量
设计安装好实验装置后，提出问题：
测摆长：
问题：如何测量单摆摆长？
学生回答基础上归纳总结：
方法一：用刻度尺直接测量小球球心与悬挂点之间的距离作为摆长的测量值。
方法二：用游标卡尺测量小球的直径，算出它的半径，再用刻度尺测量悬挂点与小球上端之间的距离，以二者之和作为摆长的测量值。
测周期
问题1：如何测量周期？
对学生回答问题进行提炼出一下两个方法：
方案一：用停表测单摆一次全振动的时间作为它的周期测量值。
方案二：用停表测单摆多次全振动的时间，然后计算求出它的周期数值。
问题2：你认为哪个方案好？为什么？
然后总结归纳：由于单摆一次全振动周期较短，测量误差较大，因此选择第二个方案较好。
问题3：你认为停表计时起点，是从单摆的最低点开始好呢？还是从最大位置开始好呢？为什么？
提示：最低点。一是最低点位置很明确，便于观测，而最高点位置模糊不便观测；二是单摆经过最低点时的速度最快，在通过最低点的瞬间按动秒表计时最精确。
学生在老师的引导下，一步步梳理自己对该问题的答案。
学生实际探究得出选用的设计方案。
、
学生回答测量摆长的方法。
学生回答测量周期的方法。
学生尝试回答并交流。
学生可尝试实验进行回答并交流。
实验器材的选用对实验很重要，我们要不断采用学生学过的知识引导学生选用实验，设计严密的实验。
引导学生设计出准确简单易操作的实验方案。
三、数据分析
（一）数据分析
如何进行数据分析得出当地较为准确的重力加速度g?
待学生回答总结提炼后，得出如下：
1.平均值法:每改变一次摆长,将相应的l和T代入公式中求出g值,最后求出g的平均值。设计如下所示实验表格：
图像法：
在很多实验数据分析中，为了让作图更为准确，我们通常怎么做？
提示：想办法找到测量的两个物理量之间的线性关系式，这样作图简单而又准确。
请尝试推导T与l之间的线性关系式？然后说明如何求出重力加速度g的准确值？
由周期公式：得
斜率：即，做出T2-l图像，求出斜率k,则：
误差分析
在实验中，哪些操作会导致实验产生误差？
1.系统误差
主要来自于单摆模型本身是否符合要求，即悬点是否固定，摆球和摆长是否符合要求，最大摆角是否不超过5°，是否在同一竖直平面内摆动等。
2.偶然误差
（1）主要来自于时间测量，测量时间时要求从摆球通过平衡位置开始计时，在记次数时不能漏记或多记。同时应多次测量，再对多次测量结果求平均值。机械式停表只能精确到0.1s，读数时不需估
（2）测长度和摆球直径时，读数也容易产生误差。
学生在老师的引导下回答可以用平均值法和图像法。并完善平均值法。
学生尝试回答问题
学生推导，然后分享结果
学生回答并交流
先让学生理解数据分析内容。
学会分析数据
不是老师讲，认识学生推导，锻炼学生推理能力。
认识误差，正确处理误差。
四、方案设计
（一）实验步骤
让学生根据前面学习的内容，完善实验步骤，然后后学生共同梳理实验步骤：
1.在细线与小球连接制成单摆，然后固定在桌边的铁架台上
2.用米尺量出线长L，用游标卡尺测摆球直径d，则单摆的摆长为
3.让单摆小幅摆动，用秒表测量单摆完成30次全振动（或50次）所用的时间，并计算周期T。
4. 改变摆长多做几次并记录数据
5. 利用摆长l和周期T代入公式
求出g或者作图利用斜率求出g
（二）实验注意事项
该实验操作中需要那些注意事项？
1．选择细线时应选择细、轻而且不易伸长，长度约1米左右的细线，小球应选密度较大、半径较小的金属球。
2．单摆摆线的上端应夹紧，不能卷在铁架台的杆上，以免造成悬点不固定，摆长变化的现象。
3．测量摆长时应注意是悬点到球心的距离，等于摆线长加上小球半径。
注意摆线长与摆长的区别。
4．要使单摆在竖直平面内摆动，不要形成圆锥摆。
5．要注意控制摆球的最大摆角不超过5° 。
6．计算单摆的振动次数时，应从小球通过最低位置时
开始计时，同方向再次通过最低位置时，计数为1 、 2 ……
7．改变悬线长度多次测量，最后求出g的平均值。
（三）实验操作
请同学们完成按照实验步骤和实验方案完成实验，测出当地的重力加速度。
学生梳理实验步骤
梳理实验注意事项
学生动手做实验
明确实验任务
明确实验注意事项是为了让学生实验操作更为准确。
达成本节课目标
课堂总结
板书设计
第5节 用单摆测量重力加速度
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
单摆测定重力加速度是物理学教学中的一个重要内容，.在物理学课程的教学中，对于单摆的测定重力加速度是非常重要的。本文研究单摆在物理学教学中的作用，旨在探讨它在教学中的重要性，以及它实际应用的可行性。
首先，要了解单摆在物理学教学中的重要性，我们需要了解它本质上的物理原理。单摆是一种动力学系统，由一个空间中的物体和一个由自转轴及其支撑的空间构成，物体呈空间抛物线运动，由基本方程来描述。它的基本特征是周期性的自相似运动，角加速度和角速度呈正弦函数的改变，能够比较容易地建立表达式，便于理解。单摆测得的重力加速度值称为单摆常数，其值与物理实验室场景中重力加速度值相近。
通过单摆实验，学生可以尝试观察规律，从而更深入地理解物体运动的规律。同时由于单摆的特殊性，它还可以帮助学生探究角加速度以及重力加速度的概念。此外，在实验过程中，学生也可以了解测量物理量的基本方法，从而增强测量技能。
有效掌握这种实验方法对学生来说非常重要，但是要想做到这一点，实验设计上也必须做出一定的调整。为了提高实验效果，应该把重点放在实验环节中，而不是教学理论上的知识。实验环节可以通过下面几方面来完善：首先，确定实验的开端和起点；其次，以不同的材料进行实验，例如普通的线性单摆、新线性单摆、新加速度单摆等；最后，实验结束之后要回顾实验结论，以及可能存在的偏差，以便更准确地测定出重力加速度的值。
在实验结果准确性方面，可以通过计算机模拟实验的方法来确保结果的准确性。如果学生收集的实验数据可以通过计算机模拟，可以在明确的原理框架下来验证，提高实验结果的准确性，进而更好地理解单摆测定重力加速度的原理。
总之，单摆在物理学教学中非常重要，它可以帮助学生更加深入地理解物体运动的规律，也可以帮助学生探究角加速度以及重力加速度的概念，同时可以增强测量技能。但是在实现这一目标时，要注意实验设计上的一些细节，尤其是要加强实验环节，而不是理论知识，同时要利用计算机模拟技术来验证实验结果的准确性，以实现单摆测定重力加速度的最佳效果。