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实验“粗”“精”结合有效突破重难点——浅谈粤教选修3-4《初识简谐运动》的教学

  • 投稿一朵
  • 更新时间2015-09-14
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广东省佛山市南海区第一中学(528000)刘桂斌

粤教版高中物理选修3-4第1章第1节《初识简谐运动》在教材编排上和旧教材相比有所变化,并没有开始就从受力的角度去研究弹簧振子,而是让学生通过实验与探究、交流与讨论去寻找弹簧振子表象的运动特征,研究它的运动规律,掌握弹簧振子的位移—时间图象,也是编者有意把图象和数学函数这两个知识难点错开。这样的安排起到了一箭双雕的作用,既比较符合学生一般由现象到本质的认识规律,又能够使知识难点分散开来并相互铺垫。因此第1节《初识简谐运动》的重点就是掌握位移—时间图象及简单应用,难点是如何能够得出位移—时间图象。

编者编排教材的这些意图明显,但是在教师的备课过程中发现,教材的安排只适合课堂进行理论分析和探讨,如果要进行实验探究,将会遇到几个问题:一是教材的图1-1-1弹簧振子的运动,见图1或图1-1-2悬挂在弹簧下的小球上下运动的实验,许多学校没有与教材上相对应的实验仪器,要演示或让学生参与这个实验比较困难,教师对这个实验只能够纸上谈兵。二是教材要求用表1-1-1的垂直悬挂弹簧振子的位移和时间的数据作出弹簧振子的位移-时间图象,如果教师的课堂教学按照教

材的要求进行处理,只会让学生把时间浪费在描点和连线上,是本末倒置的做法,学生对如何得出这些数据,为什么能够用来描述图象的疑问得不到解决。

为了达到课堂有效教学的目的,切实落实新课标的要求,让学生通过实验与探究去认识弹簧振子,从而得出弹簧振子的运动图象,在课堂教学中必须要克服教材存在的以上两方面的不足,利用学校实验室现有的仪器,重新设计出能够演示和让学生参与的实验,让学生在实验中掌握和理解。为此,笔者在本节课的教学设计中,根据我校实验室的现有仪器,设计并处理好了下面几个关键问题:

1利用实验室现有仪器组装一个能够代表弹簧振子的装置

弹簧振子是一个理想模型,实验的装置必须满足:①弹簧的质量可忽略;②小球可看作质点;③一切摩擦力和阻力可忽略;④最大位移在弹性限度内。为了尽可能地减小摩擦力和阻力,可以利用实验室的气垫导轨,利用两根弹簧和气垫滑块进行连接,开启气泵后,这样的装置就可以认为是弹簧振子(如图2所示)。

2如何引导学生去探究和得出弹簧振子的位移-时间图象

引导学生探究要采用循序渐进的方法进行。首先可以给学生出一个思考题:要研究弹簧振子的运动,就是要研究振子的位置随时间的变化情况,怎样去研究振子的位置随时间的变化情况?思考这个问题可以让学生明白两点:①我们在研究弹簧振子的运动时必须要选择一个位置作为参考点,根据弹簧振子运动的特点,应该选择振子的平衡位置为参考点,更加方便进行研究;②弹簧振子的位移随时间的变化就能够知道振子的位置随时间的变化,直观的位移-时间图象更加方便研究弹簧振子的运动,从而自然地过渡到本节课的重点和难点。

对如何确定振子对平衡位置的位移随时间的变化?可以组织班级进行集体小游戏,在游戏中分解和突破难点,充分调动学生的课堂参与积极性。

(1)在白纸上用笔尖以某点为中心来回做直线运动,模仿弹簧振子的运动,并且留下笔的痕迹,要求学生回答他停笔前0.5 s笔尖的位置在哪里(学生回答确定不了位置),然后请同学思考为什么不能够知道停笔前0.5 s笔尖的位置在哪里(学生回答笔尖的痕迹重叠),如何能够让笔尖的痕迹不重叠(学生回答可以拉纸),再提出是确定的速度匀速拉纸还是任意速度拉纸更方便确定停笔前0.5 s笔尖的位置在哪里(学生回答确定的速度匀速拉)。

(2)两位同桌相互配合,一个同学在白纸上用笔尖以某点为中心来回做直线运动,另外一个同学拉白纸垂直运动方向做匀速运动,观察笔尖的痕迹,探讨如何确定停笔前0.5 s笔尖的位置在哪里,得出纸上面的痕迹实际是笔尖运动的位移-时间图象。

3“粗略”的气垫导轨定性实验和“精细”的DIS数字实验相结合,得出弹簧振子的位移-时间图象

3.1由气垫导轨上的弹簧振子画出位移-时间图象

学生模拟的笔尖实验后对图象已经有了一定的理性和感性的认识,但是学生模拟的笔尖运动不是弹簧振子的运动,课堂上要让学生清楚感性认识弹簧振子的图象,可以提出一个问题给学生思考:怎么让气垫导轨上的弹簧振子画出图象?教师可以请两个学生参与实验,“给”气垫导轨上的弹簧振子连接一个针筒作笔,改“画”为“滴”红色墨水,振动后,另外一个学生尽量匀速拉动白纸,在白纸上就可以得到弹簧振子的位移-时间图象(如图3所示)。虽然是由于实验过程中存在一些误差因素,如针筒的摆动、纸拉动的速度难于匀速等,以至墨水滴出的图象不是那么的准确和完美,但已经能够给学生一个比较明确的初步认识。

3.2采用位移传感器使用DIS数字实验软件画出气垫导轨上弹簧振子的位移-时间图象

为了给学生一个更加精确的弹簧振子的位移-时间图象的认识,最后采用在滑块上用橡皮绑上一个位移传感器,把滑块运动时的位移情况通过数据采集器传输到电脑中,通过DIS数字实验软件同步把弹簧振子的位移-时间图象画出来。为了让学生感觉到位移的变化,调零后,先让振子不动,可以看见红线的位移为零,振子运动,画出一系列的曲线,即得出了弹簧振子的位移-时间图象。为了让学生进一步确认该曲线是正弦或余弦曲线,可以通过计算机和标准的正弦或余弦曲线进行拟合(如图4所示)。

收稿日期:2015-03-16