高中物理 《單擺》教案(1) 魯科版選修3-4(通用)

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1、課題 單擺 課型 新授課 課時(shí)數(shù) 1課時(shí) 教學(xué) 目標(biāo) 1、理解單擺振動(dòng)的特點(diǎn)及它做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件; 2、掌握單擺振動(dòng)的周期公式。 3、觀察演示實(shí)驗(yàn),概括出周期的影響因素,培養(yǎng)學(xué)生由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出物理結(jié)論的能力。 4、在做演示實(shí)驗(yàn)之前,可先提出疑問(wèn),引起學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的興趣,讓學(xué)生先猜想實(shí)驗(yàn)結(jié)果,由教師實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,使學(xué)生能更好的有目的去觀察實(shí)驗(yàn)。 重點(diǎn) 難點(diǎn) 重點(diǎn):掌握好單擺的周期公式及其成立條件 難點(diǎn):?jiǎn)螖[回復(fù)力的分析 教學(xué) 過(guò)程 主 要 內(nèi) 容 (教師填教法或點(diǎn)撥的方法, 學(xué)生填知識(shí)要點(diǎn)或反思) 一、 二、 三、

2、 四、 五、

3、 六、 七、 【預(yù)習(xí)導(dǎo)引】 提問(wèn):什么是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)? 答:物體做機(jī)械振動(dòng),受到的回復(fù)力大小與位移大小成正比,方向與位移方向相反。 【創(chuàng)設(shè)情景】 前節(jié)課我們學(xué)習(xí)了彈簧振子,了解了簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)周期。日常生活中,我們常常見(jiàn)到鐘表店里擺鐘擺錘的振動(dòng),這種振動(dòng)有什么特點(diǎn)呢?它是根據(jù)什么原理制成的?鐘擺類(lèi)似于物理上的一種理想模型——單擺。我們就來(lái)分析一下單擺來(lái)解決以上的問(wèn)題。 【學(xué)生活動(dòng)】 認(rèn)識(shí)單擺構(gòu)造,知道單擺是理想化模型 【建構(gòu)新知】 一、單擺: 1、構(gòu)造:一根繩子上端固定,下端系著一個(gè)球。物理上的單擺(單擺是理想化模型),是在一

4、個(gè)固定的懸點(diǎn)下,用一根不可伸長(zhǎng)的細(xì)繩,系住一個(gè)一定質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn),在豎直平面內(nèi)小角度地?cái)[動(dòng)。所以,實(shí)際的單擺要求繩子輕而長(zhǎng),小球要小而重,將擺球拉到某一高度由靜止釋放,單擺振動(dòng)類(lèi)似于鐘擺振動(dòng)。我們這一章研究的是機(jī)械振動(dòng),而單擺振動(dòng)也屬于機(jī)械振動(dòng),單擺振動(dòng)也是在某一平衡位置附近來(lái)回振動(dòng),這個(gè)平衡位置,就是繩子處于豎直的位置。 補(bǔ)充:機(jī)械振動(dòng)的兩個(gè)必要條件,一是運(yùn)動(dòng)中物體所受阻力要足夠??;二是物體離開(kāi)平衡位置后,總是受到回復(fù)力的作用。對(duì)于第一個(gè)條件單擺是符合的,單擺繩要輕而長(zhǎng),球要小而重都是為了減少阻力;第二個(gè)條件說(shuō)到回復(fù)力。 提問(wèn):?jiǎn)螖[的回復(fù)力又由誰(shuí)來(lái)提供? 2.單擺的回復(fù)力 要分析單擺回復(fù)

5、力,先從單擺受力入手。單擺從A位置釋放,沿AOB圓弧在平衡點(diǎn)O附近來(lái)回運(yùn)動(dòng),以任一位置C為例,此時(shí)擺球受重力G,拉力T作用,由于擺球沿圓弧運(yùn)動(dòng),所以將重力分解成切線(xiàn)方向分力G1和沿半徑方向G2,懸線(xiàn)拉力T和G2合力必然沿半徑指向圓心,提供了向心力。那么另一重力分力G1不論是在O左側(cè)還是右側(cè)始終指向平衡位置,而且正是在G1作用下擺球才能回到平衡位置。(此處可以再?gòu)?fù)習(xí)平衡位置與回復(fù)力的關(guān)系:平衡位置是回復(fù)力為零的位置。)因此G1就是擺球的回復(fù)力。回復(fù)力怎么表示?由單擺的回復(fù)力的表達(dá)式能否看出單擺的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)?書(shū)上已給出了具體的推導(dǎo)過(guò)程,其中用到了兩個(gè)近似:(1)sinα≈α;(2)在小角度下A

6、O直線(xiàn)與AO弧線(xiàn)近似相等。這兩個(gè)近似成立的條件是擺角很小,α<5°。 在分析了推導(dǎo)過(guò)程后,給出結(jié)論:α<5°的情況下,單擺的回復(fù)力為 滿(mǎn)足簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件,即物體在大小與位移大小成正比,方向與位移方向相反的回復(fù)力作用下的振動(dòng),為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。所以,當(dāng)α<5°時(shí),單擺振動(dòng)是一種簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。 3.單擺振動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) 特征:回復(fù)力大小與位移大小成正比,方向與位移方向相反。 但這個(gè)回復(fù)力的得到并不是無(wú)條件的,一定是在擺角α<5°時(shí),單擺振動(dòng)回復(fù)力才具有這個(gè)特征。這也就是單擺振動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的條件。 條件:擺角α<5°。 前面我們所學(xué)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)是以彈簧振子系統(tǒng)為例,單擺振動(dòng)和彈簧振子不同,從回復(fù)力

7、上說(shuō),雖然都具有同一特征,卻由不同的力來(lái)提供。彈簧振子回復(fù)力由合力提供,而單擺則是由重力的一個(gè)分力來(lái)提供回復(fù)力。這是回復(fù)力不同,那么其他方面,還有沒(méi)有不同呢?我們?cè)趯W(xué)習(xí)彈簧振子做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí),還提到過(guò)彈簧振子系統(tǒng)周期與振幅無(wú)關(guān),那么單擺的周期和振幅有沒(méi)有關(guān)系呢?下面我們做個(gè)實(shí)驗(yàn)來(lái)看一看。 4.單擺的周期 要研究周期和振幅有沒(méi)有關(guān)系,其他條件就應(yīng)不變。這里有兩個(gè)單擺(展示單擺),擺長(zhǎng)相同,擺球質(zhì)量不同,這會(huì)不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果呢?也就是單擺的周期和擺球的質(zhì)量有沒(méi)有關(guān)?那么就先來(lái)看一下質(zhì)量不同,擺長(zhǎng)和振幅相同,單擺振動(dòng)周期是不是相同。 [演示1]將擺長(zhǎng)相同,質(zhì)量不同的擺球拉到同一高度釋放。 現(xiàn)象

8、:兩擺球擺動(dòng)是同步的,即說(shuō)明單擺的周期與擺球質(zhì)量無(wú)關(guān),不會(huì)受影響。 那么就可以用這兩個(gè)單擺去研究周期和振幅的關(guān)系了,在做之前還要明確一點(diǎn),振幅是不是可任意?。窟@個(gè)實(shí)驗(yàn)主要是為研究屬于簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的單擺振動(dòng)的周期,所以擺角不要超過(guò)5°。 [演示2]擺角小于5°的情況下,把兩個(gè)擺球從不同高度釋放。 現(xiàn)象:擺球同步振動(dòng),說(shuō)明單擺振動(dòng)的周期和振幅無(wú)關(guān)。 剛才做過(guò)的兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn),證實(shí)了單擺振動(dòng)周期和擺球質(zhì)量、振幅無(wú)關(guān),那么周期和什么有關(guān)?由前所說(shuō)這兩個(gè)擺擺長(zhǎng)相等,如果L不等,改變了這個(gè)條件會(huì)不會(huì)影響周期? [演示3] 取擺長(zhǎng)不同,兩個(gè)擺球從某一高度同時(shí)釋放,注意要α<5° 現(xiàn)象:兩擺振動(dòng)不同步

9、,而且擺長(zhǎng)越長(zhǎng),振動(dòng)就越慢。這說(shuō)明單擺振動(dòng)和擺長(zhǎng)有關(guān)。具體有什么關(guān)系呢?經(jīng)過(guò)一系列的理論推導(dǎo)和證明得到周期公式:(荷蘭物理學(xué)家惠更斯發(fā)現(xiàn)) 同時(shí)這個(gè)公式的提出,也是在單擺振動(dòng)是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的前提下,即滿(mǎn)足擺角α<5°。 條件:擺角α<5° 且我們還可以根據(jù)這個(gè)周期公式測(cè)某地的重力加速度,由公式可知只要測(cè)出單擺的擺長(zhǎng)、周期,就可以得到單擺所在地的重力加速度。 提問(wèn):由以上演示實(shí)驗(yàn)和周期公式,我們可知道周期與哪些因素有關(guān),與哪些因素?zé)o關(guān)? 答:周期與擺長(zhǎng)和重力加速度有關(guān),而與振幅和質(zhì)量無(wú)關(guān)。 單擺周期的這種與振幅無(wú)關(guān)的性質(zhì),叫做等時(shí)性。單擺的等時(shí)性是由伽利略首先發(fā)現(xiàn)的。鐘擺的擺動(dòng)就

10、具有這種性質(zhì),擺鐘也是根據(jù)這個(gè)原理制成的,據(jù)說(shuō)這種等時(shí)性最早是由伽利略從教堂的燈的擺動(dòng)發(fā)現(xiàn)的。如果條件改變了,比如說(shuō)(拿出擺鐘展示)這個(gè)鐘走得慢了,那么就要把擺長(zhǎng)調(diào)整一下,應(yīng)縮短L,使T減??;如果這個(gè)鐘在北京走得好好的,帶到廣州去會(huì)怎么樣?由于廣州g小于北京的g值,所以T變大,鐘也會(huì)走慢;同樣,把鐘帶到月球上鐘也會(huì)變慢。 (秒擺—周期為2秒的單擺) 補(bǔ)充:1、等效擺長(zhǎng)問(wèn)題: 上面兩個(gè)圖的周期分別為: T1= T2= 2、等效重力加速度問(wèn)題: ①將一個(gè)擺長(zhǎng)為的單擺放在一個(gè)光滑的,傾角為的斜面上,其擺角為,如圖。 A

11、.?dāng)[球做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力為: B.?dāng)[球做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的周期為: C.?dāng)[球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,經(jīng)平衡位置時(shí),線(xiàn)的拉力為: ②將單擺放在加速上升的電梯中則周期為T(mén)= 【知識(shí)運(yùn)用】 例題1.甲、乙兩單擺在同一地點(diǎn)做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖象如圖,由圖可知 A.甲和乙的擺長(zhǎng)一定相等 B.甲的擺球質(zhì)量較小 C.甲的擺角大于乙的擺角 D.?dāng)[到平衡位置時(shí),甲和乙擺線(xiàn)所受的拉力可能相等。 例題2.用單擺測(cè)定當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋? 在“用單擺測(cè)定重力加速度”的實(shí)驗(yàn)中,測(cè)出單擺擺角小于5°時(shí),完成次全振動(dòng)的時(shí)間為,用毫米刻度尺測(cè)得擺線(xiàn)長(zhǎng)為L(zhǎng),用螺旋測(cè)微器測(cè)得擺球直徑為。 (1)用上述物理量的符號(hào)寫(xiě)出測(cè)重力加

12、速度的一般表達(dá)式:。 45 0 (2)由圖可知:擺球直徑的讀數(shù)為:。 (3)實(shí)驗(yàn)中,有個(gè)同學(xué)發(fā)現(xiàn)他測(cè)得的當(dāng)?shù)刂亓铀俣瓤偸瞧?,其原因可能? A.實(shí)驗(yàn)室處在高山上,距離水平面太高 B.單擺所用的擺球太重了 C.測(cè)出次全振動(dòng)的時(shí)間,誤作為次全振動(dòng)的時(shí)間進(jìn)行計(jì)算 D.以擺線(xiàn)長(zhǎng)與擺球直徑之和作為擺長(zhǎng)來(lái)計(jì)算 擺長(zhǎng)L/m 0.500 0.800 0.900 1.000 1.200 周期T/s 1.42 1.79 1.90 2.00 2.20 T2/s2 2.02 3.02 3.61 4.00 4.84 例題3.某同學(xué)用單擺測(cè)重力加速度,測(cè)完了5次不同擺長(zhǎng)的振動(dòng)周期,數(shù)據(jù)如下: (1)在圖中的坐標(biāo)紙上以L為縱坐標(biāo),為橫坐標(biāo),把表中數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)用標(biāo)出,并作出圖象。 (2)利用圖象求出重力加速度的值(保留兩位有效數(shù)字),。 【課堂訓(xùn)練】 課本問(wèn)題與練習(xí)P17 【回顧小結(jié)】 八、教學(xué)反思 九、課后作業(yè): 課本中本節(jié)課后練習(xí)1、2

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