“單擺”探究式教學設計

教學過程：

1.貼近生活，引入課題

在日常生活中，經常可以看到懸掛起來的物體在豎直平面內作擺動：擺鐘擺錘的擺動，公園里小孩在蕩秋千，起重機下貨物的晃動……懸掛物體在豎直平面內做什么運動？擺鐘是利用什么原理制作的？學習了“單擺”這節課后，我們就會明白了。

2.探究擺的振動周期

（1）提出問題

教師展示擺鐘，引導學生觀察擺錘的擺動和指針的變化，然后展示擺球、鐵架臺、細線等實驗裝置，演示擺球在豎直平面內的振動，引導學生注意觀察擺球的往復運動。引導學生在觀察、討論中，聯系往復運動表現出的運動周期性，提出問題：

擺的振動周期與哪些因素有關？

（2）進行猜想

針對所提出的問題組織學生討論，學生依據已有的科學知識、經驗，通過思考作出猜想：

①擺的振動周期可能與擺球的振幅有關；

②擺的振動周期可能與擺球的擺長有關；

③擺的振動周期可能與擺球的質量有關。

討論時，有的學生可能猜想擺的振動周期與擺球所受重力有關，很少有學生猜想擺的振動周期與重力加速度有關。

（3）設計實驗

教師要引導學生討論確定實驗方法：控制變量法，并依此設計實驗方案。

教師可將班級學生分成甲、乙、丙三大組（每一大組再分成若干小組）探究擺的振動周期與擺球的振幅、質量、擺長的關系。學生進行討論，整理、歸納出所需的實驗器材、實驗步驟和要測的物理量（見表1）。

表　1

擺的周期和重力加速度的關系在課堂上不易進行實驗探究，可組織學生討論、設計實驗方案。學生可能提出在高層建筑中，在升降機中，在月球上，在飛船中，在地球上的不同地區……做實驗。要求學生課后寫出具體的實驗設計方案。

（4）實驗探究

學生分組實驗，使用儀器進行觀察、測量和實驗，同時記錄觀察和測量的結果（見表1）。

（5）交流、評估

學生分析、進行觀察、測量和得出實驗結果，與猜想進行比較作出解釋（見表1）。各組選派代表進行交流，啟發學生評估各組實驗結果，總結擺的振動周期特點：①偏角較大時，擺的振動周期跟振幅大小有關；②擺的振動周期跟擺球質量無關；③偏角較小時，擺的振動周期跟振幅大小無關，跟擺長有關，擺線增大周期變大，擺線縮短周期變小。

3.探究單擺振動特征

教師：單擺是一種理想化模型，單擺由擺線和擺球兩部分組成：第一，擺線需由質量不計、沒有伸縮性的細線提供；第二，擺球的密度較大，而且擺球的直徑要比擺線的長度小得多。這樣才可將擺球看成質點，構成單擺。前面實驗時提供的擺球和擺線基本符合構成單擺的條件，實驗用的擺可看作單擺。

（1）提出問題

在上述實驗探究中學生可能提出問題：單擺振動是不是簡諧運動？

（2）進行猜想

組織學生討論，提出猜想：

①單擺振動不是簡諧運動，因為單擺振動周期的大小跟偏角的大小有關，不是一個定值。

②不能確定。因為單擺的振動是不是簡諧運動要看它受到的回復力的大小是否跟位移的大小成正比。

③因為在偏角較小時，單擺的周期跟振幅無關，跟擺長有關，像彈簧振子的周期那樣，周期由振動物體本身決定。所以這時單擺振動是簡諧運動。

（3）設計實驗

組織學生討論、歸納，確定設計思想，制定計劃：

①設計思想

簡諧運動圖像是一條余弦（或正弦）曲線，如果單擺振動是簡諧運動，它的振動圖像也應是一條余弦（或正弦）曲線。