2019-2020年高中物理 11《簡諧運(yùn)動(dòng)》教學(xué)設(shè)計(jì) 教科版選修3-4.doc

2019-2020年高中物理 11簡諧運(yùn)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì) 教科版選修3-4【教學(xué)目標(biāo)】：1認(rèn)識(shí)機(jī)械振動(dòng)；2認(rèn)識(shí)彈簧振子，能分析彈簧振子運(yùn)動(dòng)過程中各物理量的變化。3通過對(duì)彈簧振子的研究，了解回復(fù)力和簡諧運(yùn)動(dòng)的概念。4了解描述簡諧運(yùn)動(dòng)特征的物理量：振幅、周期、頻率。【教學(xué)重點(diǎn)】：研究彈簧振子并分析彈簧振子的振動(dòng)過程?！窘虒W(xué)難點(diǎn)】：分析彈簧振子運(yùn)動(dòng)過程中各物理量的變化規(guī)律?！窘虒W(xué)流程】：新課引入，生活中的機(jī)械振動(dòng)（平衡位置）彈簧振子研究彈簧振子的運(yùn)動(dòng)過程簡諧運(yùn)動(dòng)及其特征的描述總結(jié)【教學(xué)過程】：一、 機(jī)械振動(dòng)1機(jī)械振動(dòng)及特點(diǎn)我們?cè)谏钪谐Ｌ岬揭辉~“振動(dòng)”，這樣一種運(yùn)動(dòng)形式在生活中很常見，請(qǐng)列舉你所知道的“振動(dòng)”。（鐘擺、樹梢在微風(fēng)中搖擺、蕩秋千、挑著物體行走時(shí)扁擔(dān)顫動(dòng)、撥動(dòng)琴弦后琴弦振動(dòng)、水中浮標(biāo)上下浮動(dòng)、地震、手機(jī)振動(dòng)）演示實(shí)驗(yàn)，掛在彈簧中間的物塊，左右做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。提問：根據(jù)前面列舉的例子、演示的實(shí)驗(yàn)，振動(dòng)這樣一種運(yùn)動(dòng)形式有什么樣的特點(diǎn)呢？（在某一位置周圍往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有一個(gè)“中心位置”，往復(fù)運(yùn)動(dòng)意味著具有“周期性”特點(diǎn)）我們把具有這樣特點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)（在某一中心位置兩側(cè)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)）叫做機(jī)械振動(dòng)，也通常簡稱“振動(dòng)”。我們今天開始學(xué)習(xí)的新的一章，就主要研究機(jī)械振動(dòng)這種運(yùn)動(dòng)形式的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)給我們后面的研究一些啟示：（1）“中心位置”很重要；（2）我們研究一次完整的運(yùn)動(dòng)情況就可以推測(cè)之后的運(yùn)動(dòng)情況。2平衡位置首先來看“中心位置”，在振動(dòng)過程中，物體以這個(gè)特殊位置為中心做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，那這個(gè)位置到底如何確定呢？請(qǐng)?jiān)倏囱菔緦?shí)驗(yàn)，如果物塊不振動(dòng)，它會(huì)靜止在中間。只有讓物塊離開原來的位置并且釋放，物塊才開始振動(dòng)。而振動(dòng)開始后，物塊做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的中心位置就是靜止時(shí)的位置。我們把這個(gè)位置叫做“平衡位置”，它是物體振動(dòng)時(shí)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的中心位置，也是物體停止振動(dòng)時(shí)所在的位置。二、彈簧振子現(xiàn)在我們來研究這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。生活中的振動(dòng)往往很復(fù)雜，我們現(xiàn)在尋找一個(gè)很簡單的模型來研究。光滑的水平桿上套著一個(gè)小球，彈簧一端固定，另一端連接在小球上，小球在桿上滑動(dòng)，小球和水平桿之間的摩擦忽略不計(jì)，彈簧質(zhì)量忽略不計(jì)。這樣的系統(tǒng)稱為彈簧振子。在這樣的系統(tǒng)中，彈簧質(zhì)量不計(jì)，可以只研究小球的運(yùn)動(dòng)，小球常稱為振子。小球受力分析，豎直方向重力和支持力平衡，水平方向上只受彈簧彈力。不一定要用桿，只需要讓豎直方向上重力和支持力平衡，水平只受彈簧彈力即可，也可以放置在光滑水平面上。課堂上無法演示彈簧振子裝置，因?yàn)樾∏蚝退綏U的摩擦較大，無法忽略。視頻演示，氣墊導(dǎo)軌上彈簧振子裝置。振子靜止時(shí)處于平衡位置O點(diǎn)，彈簧沒有發(fā)生形變，長度為原長。把振子拉伸（或壓縮）到某一位置釋放，振子開始振動(dòng)。注意觀察彈簧拉伸和壓縮的最大位置，還有運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上有什么特點(diǎn)。播放視頻，觀察到OA=OA。 用flash演示彈簧振子運(yùn)動(dòng)模型，反復(fù)觀看。請(qǐng)學(xué)生討論，能夠觀察到哪些運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)？（強(qiáng)調(diào)對(duì)振子運(yùn)動(dòng)對(duì)稱性的體驗(yàn)）三、 研究彈簧振子的運(yùn)動(dòng)過程深入地研究振子的運(yùn)動(dòng)情況，需要關(guān)注描述振子運(yùn)動(dòng)的物理量：位移、速度、加速度、能量。描述時(shí)注意位移、速度、加速度都是矢量，不僅關(guān)注大小，還需要關(guān)注方向。為了便于描述，建立一個(gè)一維坐標(biāo)系，（學(xué)生回答：以平衡位置O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立Ox坐標(biāo)軸，）向右為x軸正方向。振子在任何時(shí)刻相對(duì)于O點(diǎn)的距離，可以用x來表示。規(guī)定了正方向，其它物理量的方向也能方便地表達(dá)。振動(dòng)具有周期性的特點(diǎn)，因此我們只需要研究一次完整的振動(dòng)，例如振子從A點(diǎn)經(jīng)O點(diǎn)到達(dá)A點(diǎn)后再經(jīng)O點(diǎn)返回到A的一次完整的振動(dòng)過程。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)A點(diǎn)、O點(diǎn)和A點(diǎn)都是特殊的位置，可以研究振子在這幾點(diǎn)時(shí)狀態(tài)，以及振子在各點(diǎn)之間運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。示范分析振子在A點(diǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：在A點(diǎn)時(shí)，位移的方向是正的，位移大小達(dá)到最大值；速度大小為零，因?yàn)锳點(diǎn)是振子向右運(yùn)動(dòng)的最遠(yuǎn)點(diǎn)；加速度不能直接觀察得出來，但是可以根據(jù)振子的受力分析和牛二定律得到。振子在水平方向上只受彈簧彈力，在A點(diǎn)時(shí)彈簧對(duì)振子的彈力方向是負(fù)的，彈簧伸長到最大程度，對(duì)振子的彈力最大，因此加速度沿著x軸負(fù)方向，大小達(dá)到最大值。從A點(diǎn)到O點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)與O點(diǎn)到A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)不同，分別分析。帶領(lǐng)學(xué)生分析振子從A點(diǎn)到O點(diǎn)過程中位移、速度、加速度的變化。位移沿x軸正向，大小逐漸減??；速度沿x軸負(fù)方向，逐漸增大；根據(jù)彈簧彈力變化得到加速度沿x軸負(fù)方向，逐漸減小。請(qǐng)學(xué)生自己分析討論O點(diǎn)、A點(diǎn)時(shí)狀態(tài)及剩下幾段運(yùn)動(dòng)過程位移、速度、加速度的變化?？偨Y(jié)在整個(gè)過程中位移、速度、加速度的變化，給Flash演示。再從能量的角度描述彈簧振子的這個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，系統(tǒng)具有機(jī)械能，包括動(dòng)能和彈性勢(shì)能。請(qǐng)學(xué)生簡單分析運(yùn)動(dòng)過程中能量的變化。給出總結(jié)的表格,并引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)彈簧振子振動(dòng)過程中的對(duì)稱性。四、 簡諧運(yùn)動(dòng)1 回復(fù)力與簡諧運(yùn)動(dòng)的定義前面研究了彈簧振子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，是單純從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度去進(jìn)行描述。那么彈簧振子為什么能做往復(fù)運(yùn)動(dòng)呢？在彈簧彈力的作用下運(yùn)動(dòng)。在彈簧振子模型中，彈簧彈力有什么特點(diǎn)能保持振子一直在平衡位置兩側(cè)振動(dòng)呢？引導(dǎo)學(xué)生分析，當(dāng)振子偏離平衡位置時(shí)，彈力總是與位移方向相反，總是指向平衡位置。正是因?yàn)橛幸粋€(gè)這樣的力，物體一旦偏離平衡位置就會(huì)努力想把它拉回來，所以振動(dòng)的物體總能在平衡位置周圍做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。我們把這樣的力叫做回復(fù)力?；貜?fù)力是一個(gè)按效果命名的力。在彈簧振子模型中，彈簧彈力遵循胡克定律，F(xiàn)=-kx，這個(gè)回復(fù)力還有一個(gè)特點(diǎn)，力的大小與位移大小成正比。我們把這樣回復(fù)力與位移成線性關(guān)系的振動(dòng)叫做簡諧運(yùn)動(dòng)。彈簧振子的運(yùn)動(dòng)就是一個(gè)簡諧運(yùn)動(dòng)的模型。簡諧運(yùn)動(dòng)是最簡單、最基本的振動(dòng)，一切復(fù)雜的振動(dòng)都是可以看成若干簡諧運(yùn)動(dòng)的疊加。課件展示其它簡諧運(yùn)動(dòng)的實(shí)例：鐘擺的運(yùn)動(dòng)、豎直彈簧振子運(yùn)動(dòng)等。2簡諧運(yùn)動(dòng)特征的描述前面研究彈簧振子的運(yùn)動(dòng)，關(guān)注了每個(gè)時(shí)刻振子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而對(duì)于整個(gè)振動(dòng)過程的特點(diǎn)，例如振動(dòng)的幅度、快慢等，還需要物理量來描述。振動(dòng)物體離開平衡位置的最大距離，成為振動(dòng)的振幅，它表示振動(dòng)的強(qiáng)弱。從能量的角度看，振幅也是表現(xiàn)能量大小的物理量。振動(dòng)的快慢用周期和頻率來描述。振子每完成一次全振動(dòng)所用的時(shí)間都是相同的，這個(gè)時(shí)間叫做周期T。單位時(shí)間內(nèi)完成全振動(dòng)的次數(shù)叫做頻率，用f表示，有f=1/T。注意一次全振動(dòng)的概念。前面舉例的由A點(diǎn)經(jīng)O到A點(diǎn)，又由A經(jīng)O回到A點(diǎn)叫一次全振動(dòng)。選擇其它位置開始計(jì)時(shí)，經(jīng)過振動(dòng)又一次回到這一點(diǎn)也叫一次全振動(dòng)。兩種選擇相位不同而已。五、 總結(jié)本節(jié)課研究機(jī)械振動(dòng)，介紹了彈簧振子這種簡單的振動(dòng)模型，并研究它的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。通過對(duì)彈簧振子的研究，介紹了最簡單最基本的振動(dòng)簡諧運(yùn)動(dòng)。