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(共31张PPT)
第二章 机械振动
（单元解读）
主讲老师：
2023.XX.XX
目录
03
04
本单元教学重点与难点
内容分析
01
02
学习目标
《课标》要求
05
教学策略
第一部分：《课标》要求
钟摆来回摆动
《课标》要求
2.2.1
通过实验，认识简谐运动的特征。能用公式和图像描述简谐运动。
2.2.2
通过实验，探究单摆的周期与摆长的定量关系。知道单摆周期与摆长、重力加速度的关系。会用单摆测量重力加速度的大小。
2.2.3
通过实验，认识受迫振动的特点。了解产生共振的条件及其应用。
第二部分：学习目标
钟摆来回摆动
学习目标
节次 学习目标
第1节 简谐运动
第2节 简谐运动的描述
第3节 简谐运动的回复力和能量
(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。
(1)理解振幅、周期、频率的概念，能用这些概念描述、解释简谐运动。
(2)经历测量小球振动周期的实验过程，能分析数据、发现特点、形成结论。
(3)了解相位、初相位。
(4)会用数学表达式描述简谐运动。
(1)会分析弹簧振子的受力情祝，理解回复力的概念。
(2)认识位移、速度、回复力和加速度的变化规律及相互联系。
(3)会用能量观，点分析水平弹簧振子动能、势能的变化情况，知道简谐运动中机械能守恒。
学习目标
节次 学习目标
第4节 单摆
第5节 实验：用单摆测重力加速度
(1)知道单摆是一种理想化模型，理解单摆模型的条件，能将实际问题中的对象和过程转化为单摆模型。
(2)能通过理论推导，判定单摆小角度振动时的运动特点。
(3)在探究单摆的周期与摆长的定量关系时，能分析数据、发现规律、形成合理的结论，能用已有的物理知识解释相关现象。
(4)知道单摆周期与摆长、重力加速度的关系，能运用其解决相关实际问题。
(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。
学习目标
节次 学习目标
第6节 受迫振动 共振
(1)知道什么是阻尼振动和受迫振动，会用能量观点分析阻尼振动的振幅变化和受迫振动的共振现象。
(2)通过实验认识固有频率、驱动力频率与振动频率之间的区别和联系，了解产生共振的条件，认识共振是受迫振动的一种特殊情况。
(3)能够根据实际生活中的振动特点，应用振动的规律解释与解决相关问题
第三部分：内容分析
钟摆来回摆动
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。
第1节
内容分析
教材以弹簧振子为例，提出问题：如何描述简谐运动位移变化的周期性？引出数学上的正弦函数，再给出描述简谐运动的物理量（振幅、周期和频率、相位）及简谐运动在任意时刻位移的表达式。最后通过“做一做”和“科学漫步”栏目将相关知识和生活实际联系起来。
教材根据正弦函数的性质和特点，运用数学推导，得出圆频率与周期之间的关系，这种利用逻辑思维的方法，有利于学生建立和理解两者之间的关系。相位这个概念是本节教学的难点，教材并没有对相位这个概念提出很高的教学要求，而是通过数学表达式、演示实验，让学生在观察、思考中对两个振动的相位进行感受和比较，这有利于化解难点。
第2节
内容分析
在前两节从运动学角度定义和描述简谐运动的基础上，本节从动力学角度认识物体做简谐运动的原因并再次定义简谐运动，分析简谐运动中的能量及其变化特点。教材再次以弹簧振子为例，分析回复力F与位移x的关系，从而帮助学生理解最基本、最简单的机械振动——简谐运动的受力特点。
之前，学生学习了胡克定律、牛顿运动定律及功能关系，在本章学生又学习了简谐运动的概念及其描述方法，所以本节学习简谐运动的回复力和能量、探究简谐运动的原因应是水到渠成的。学生对动力学的规律比较熟悉，这节课的任务是引导学生把知识和规律运用到新的物理现象中，分析并解决问题。对于振动过程中的能量问题，教材从弹簧形变量的变化和振子速度的变化角度分析势能和动能的变化情况，未要求学生从功能关系角度来推导简谐运动过程中的机械能守恒。对于基础较好的学生，可以从功能关系角度定量分析简谐运动过程中的机械能守恒问题，从能量转化角度，理解简谐运动这一理想化模型。
第3节
内容分析
在学习单摆之前，学生学习了简谐运动及其图像，简谐运动的振幅、周期、频率以及回复力和能量等内容，本节是简谐运动的应用实例。通过学习受力和运动情况均较为复杂的单摆，促进学生对简谐运动规律的进一步理解和应用，丰富学生的运动与相互作用观念。教材以“单摆的摆动是否为简谐运动？”作为问题启发学生思考，通过对单摆回复力的分析推导和“做一做”观察墨汁图样的实验，丰富了学生的学习经历和知识形成过程。通过对较为复杂的单摆的相关问题进行分析和推理，促进学生科学思维的发展。探究单摆周期与摆长的关系时，先用控制变量法定性研究，再用图像法处理数据获得定量结果，提升学生科学探究的能力。
第4节
内容分析
本节教学的重点是对单摆运动规律和单摆周期公式的探究。单摆是简谐运动的典型模型之一，也是丰富学生运动与相互作用观的重要知识载体。本节的点在于对单摆回复力的判定以及对小角度的近似处理，虽然教材在必修模块已渗透极限思维，但大部分学生对小角度的近似处理缺少经验，还会存在学习障碍。
第4节
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。
第5节
内容分析
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。
第5节
内容分析
阻尼振动与受迫振动是外力作用下的振动，为了与之区别，本节首先阐述振动系统没有受到外力作用时的固有振动，此时的频率称为固有频率。然后从振动图像和能量的角度分析阻尼振动，再介绍受迫振动，以及共振现象和共振曲线
教材将阻尼振动、受迫振动、共振三个概念放在一起，目的在于使学生能够很好地通过比较来认识这几种振动。阻尼振动、受迫振动都属于外力作用下的振动。阻尼振动的外力是阻力，做功将消耗系统的机械能。受迫振动的外力既有阻力，又有驱动力，驱动力做的正功将补偿阻力做的负功，振动能够稳定存在。共振是受迫振动的一种特殊情况，此
第6节
内容分析
时驱力频率等于固有频率，驱动力做正功，且明显大于阻力做的负功，系统机械能在不断增大，导致振幅也明显增大，达到共振。从外力做功和能量转化角度来分析这几种振动是学习本节的基本思路。
认识固有频率、驱动力频率与振动频率之间的区别和联系是认识受迫振动特点的关键，也是认识共振现象的前提。对阻尼振动和受迫振动的认识进一步丰富了学生的运动与相互作用观。本节的难点是认识固有频率、驱动力频率与振动频率之间的区别和联系，以及认识生活中相关现象的振动特点，重点是了解发生共振现象的条件及用相关知识解释实例。
第6节
第四部分：本单元教学重点与难点
钟摆来回摆动
本单元教学重点与难点
教学难点
教学重点
1. 通过实验，认识简谐运动的特征。能用公式和图像描述简谐运动。
2.通过实验，探究单摆周期和摆长的定量关系。知道单摆周期与摆长、重力加速度的关系。会用单摆测重力加速度。
1. 能用公式和图像描述简谐运动。能用公式和图像描述简谐运动。
2. 通过实验，探究单摆周期和摆长的定量关系。
3. 知道单摆周期与摆长、重力加速度的关系。
4.会用单摆测重力加速度。
第五部分：教学策略
钟摆来回摆动
教学策略
1.用运动学概念来定义简谐运动
在学习简谐运动之前，学生对质点的运动已有一定的了解，例如匀速直线运动、匀变速直线运动、抛体运动、匀速圆周运动等。在学生的学习经验中，质点的运动是根据质点运动的轨迹、速度、加速度的特点来划分的，也就是说，是根据运动学的概念来定义和区分质点所做的是哪种运动。从质点的受力特征这一动力学角度看，如果物体在运动方向上所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成正比，并且总是指向平衡位置，质点的运动就是简谐运动。学生觉得这是在用一种特殊的方法来研究一种崭新的运动，难以把简谐运动的新知识纳入原有的知识架构中，因而感到比较困难。针对以上问题，需要采用运动学的概念来引人和定义简谐运动，即：如果物体的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即它
教学策略
1.用运动学概念来定义简谐运动
的振动图像（位移一时间图像）是一条正弦曲线，这样的振动是一种简谐运动。只要学生对位移一时间图像的知识有所理解，凭以上定义，学生便可以直接想象出简谐运动的情形，有利于对简谐运动的理解。
教学策略
2.帮助学生理解相位概念
要描述简谐运动的特征，仅用振幅、周期（或频率）两个物理量是不够的，它们只能描述做简谐运动物体的振动幅度和振动快慢，无法描述物体在振动过程中所处的状态。因此，教材进而用振幅、周期、相位三个物理量来描述物体的简谐运动，没有把“相位”这个物理量列为选学内容，而是作为必学内容放在教材的正文中。
为了帮助学生准确地认识振幅与频率，便于理解相位的意义，教材在编写思路上较以往作了较大调整。具体思路为：(1)第1节通过对弹簧振子位移与时间关系的探究，发现其满足正(余)弦关系，并将满足这种关系的运动称为简谐运动。根据数学正弦函数的一般表达式，写出简谐运动的函数表达式 。相比学习振幅、周期后再给出位移与时间的函
教学策略
2.帮助学生理解相位概念
数表达式，这种处理方式在内容的衔接上更顺畅一些。(2)有了函数表达式 ,结合具体模型，学生能更容易发现A、w、是描述简谱运动的关键物理量，能更准确把握振幅、周期概念，理解相位的物理意义。(3)这样的学习过程能加深学生对简谐运动位移随时间变化规律的函数及图像的理解，有利于教学目标的落实。
教学策略
3.加深学生对力和运动关系的理解
物体的受力决定了物体运动的变化，通过分析物体的受力可以推断物体速度的变化；反之，通过物体运动的变化，也可以判断物体受力的特点，这是物理学研究的重要问题，也是需要重点培养的学科能力，为此，在第3节中，在分析弹簧振子的受力情况得到简谐运动回复力的特点之前，引导学生利用上述思想对简谐运动的受力特点进行分析，作出预判，既有利于帮助学生对弹簧振子的受力情况进行全面分析，又可以深化对力和运动关系的理解。
教学策略
4.提高学生的实验数据处理能力
“单摆”一节共有三个问题：(1)根据做简谱运动物体的受力特征，确定单摆在小角度摆动过程中做简谐运动：(2)猜测并验证单摆的振动周期与哪些因素有关；(3)通过实验探究单摆的周期与摆长的关系。根据课程标准的要求，不难发现本节的关键在于：要发挥两个实验在提高学生实验素养上的作用。实验“探究单摆周期与摆长之间的关系”的一个重要特点是分析、处理实验数据。学生获得了一系列周期和摆长的对应数据之后，只能得出“摆长越长周期也越长”的定性结论，尚不能准确判断这些数据之间究竟有什么定量关系。因此，这是提高学生分析处理数据能力的机会。让学生对数据间的可能关系进行猜测，根据猜测来定义坐标系的横、纵坐标轴，使得在这样的坐标系中作出的图像是一条直线。由于单摆周期跟摆长的二次方根成正比，这为学生经历这种数据处理的过程提供了很好的条件。
教学策略
5.提高学生减小实验误差的能力
“实验：用单摆测量重力加速度”一节主要从如何减小实验误差方面来提高学生的实验素养。首先，从实验装置和实验条件来思考减小误差的途径：实验装置要尽量接近理想单摆模型，实验操作要尽量实现小偏角的要求，其次，在收集实验数据的环节闸述了减小误差的方法和道理：为减小测量摆长所造成的相对误差，应选用摆长较长的单摆：为减小测量周期所造成的相对误差，可以测量单摆多次全振动的总时间，最后，再从数据处理的角度述了减小实验误差的方法：应多测几次求平均值，或者作出T-图像，求其斜率，进而计算出重力加速度。以上减小实验误差的方法，是对所有物理实验都适用的。以这个实验为载体，全面提高学生的实验素养。
教学策略
6.通过实验认识受迫振动与共振
“受迫振动共振”一节的思维线索是：(1)物体在振动过程中总会受到阻力的作用，在阻力的作用下振动系统的能量在逐渐减少，振幅越来越小，直至停止振动；(2)如果给受到阻力的振动系统施加一个力，通过这个力做功补系统的能量损耗，使得振动能持续进行，这种振动就是受迫振动：(3)当施加的驱动力频率跟振动系统的固有频率相同时，驱动力做功对振动系统提供能量的效果最好，使得振动的振幅最大，这就是共振，为了帮助学生理解以上内容，应该通过实验进行探究与观察，加深对共振的利用及危害的认识。
教学策略
6.课时安排建议
第1节 简谱运动 1课时
第2节 简谱运动的描述 2课时
第3节 简请运动的回复力和能量 1课时
第4节 单摆 1课时
第5节 实验：用单摆测量重力加速度 1课时
第6节 受迫振动共振 1课时
THANKS
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