高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中提出：物理學(xué)基于觀察與實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)物理模型、應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過科學(xué)對(duì)立和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系。培養(yǎng)學(xué)生基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題，形成猜想和假設(shè)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制定方案，獲取和處理信息，基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)得出結(jié)論并做出解釋的能力，是現(xiàn)階段高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)。

一、教材分析

“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”屬于人教版物理選擇性必修第一冊(cè)第二章“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”的內(nèi)容，可大致分為彈簧振子、彈簧振子的位移—時(shí)間圖像、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)三部分內(nèi)容。教材列舉多個(gè)實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度認(rèn)識(shí)彈簧振子，通過實(shí)驗(yàn)得出彈簧振子的位移—時(shí)間圖像，再通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)彈簧振子的位移—時(shí)間圖像是正弦曲線。基于此組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，可促使學(xué)生基于已有的知識(shí)對(duì)比與遷移，掌握“從簡(jiǎn)單入手”“理想模型”的科學(xué)研究方法，形成并提高科學(xué)探究與實(shí)踐能力。

二、學(xué)情分析

在之前的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了勻變速直線運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系、運(yùn)動(dòng)的合成與分解、動(dòng)量守恒定律等物理知識(shí)，參與了“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”“探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)”“驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律”等實(shí)驗(yàn)，掌握了運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本知識(shí)及探究物理原理的基本技能。此外，高二學(xué)生通過數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)基本掌握了三角函數(shù)的相關(guān)內(nèi)容，具備用函數(shù)公式、圖像抽象物理模型的潛力。

三、目標(biāo)設(shè)計(jì)

物理觀念：形成對(duì)彈簧振子的基本認(rèn)識(shí)。

科學(xué)思維：通過實(shí)驗(yàn)觀察與分析，理解彈簧振子的位移—時(shí)間圖像是一條正弦曲線。

科學(xué)探究：經(jīng)歷完整的實(shí)驗(yàn)探究過程，掌握?qǐng)D像法、位移—時(shí)間圖像獲得法等科學(xué)探究的常用方法，掌握簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的特征。

科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀：通過認(rèn)識(shí)彈簧振子，參與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，形成重事實(shí)、講邏輯的科學(xué)探究精神。

四、重難點(diǎn)設(shè)計(jì)

重點(diǎn)：簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的概念、彈簧振子的位移—時(shí)間圖像。

難點(diǎn)：彈簧振子的位移概念，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案確定彈簧振子在各個(gè)不同時(shí)刻的位移，論證彈簧振子的振動(dòng)圖像是一條正弦曲線的思路和方法。

五、教學(xué)流程設(shè)計(jì)

（一）新課導(dǎo)入

應(yīng)用對(duì)話法、演示法創(chuàng)設(shè)情境，引出“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)主題，激發(fā)學(xué)生探究興趣。

師：如圖1所示，使懸掛的鐵球、氣墊導(dǎo)軌上的滑塊、鐘擺內(nèi)的鐘擺運(yùn)動(dòng)起來，它們的運(yùn)動(dòng)情況是怎樣的？

生：鐵球與鐘擺左右擺動(dòng)，滑塊在氣墊導(dǎo)軌上循環(huán)往復(fù)地左右滑動(dòng)。

師：像這樣，物體（或物體的某一部分）在某一位置兩側(cè)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，被稱為機(jī)械振動(dòng)，這個(gè)“位置”被稱為平衡位置。如取一根輕彈簧和小球就能組成一個(gè)簡(jiǎn)單的振動(dòng)系統(tǒng)（見圖2）。注意觀察，當(dāng)小球處于平衡狀態(tài)時(shí)，它所處的位置就是平衡位置。將小球向外拉一段距離后放手，小球圍繞平衡位置左右水平移動(dòng)，小球所做的往復(fù)運(yùn)動(dòng)就是機(jī)械振動(dòng)。忽略這個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)的空氣阻力、小球質(zhì)量，可以將這個(gè)系統(tǒng)視作彈簧振子，系統(tǒng)中的小球被稱為振子。

（設(shè)計(jì)意圖：由生活中常見的物理現(xiàn)象引出“機(jī)械振動(dòng)”這一概念，幫助學(xué)生建立物理學(xué)與現(xiàn)實(shí)生活的關(guān)聯(lián)。在此基礎(chǔ)上，借助簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行演示，指導(dǎo)學(xué)生在直觀觀察的過程中增強(qiáng)學(xué)習(xí)感悟，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)探究做鋪墊。）

（二）實(shí)驗(yàn)探究

【問題1】用一根輕彈簧、小球組成簡(jiǎn)單的振動(dòng)系統(tǒng)，將小球沿彈簧軸線方向拉離平衡位置一小段距離，然后由靜止釋放，觀察小球的運(yùn)動(dòng)情況，怎樣記錄并分析它的運(yùn)動(dòng)呢？

（學(xué)生以小組為單位，操作振動(dòng)系統(tǒng)，觀察彈簧振子的位移特點(diǎn)、振動(dòng)特征等，并在合作討論、交流時(shí)提出解決問題的方法。）

方法1：利用頻閃照相記錄下連續(xù)相等時(shí)間間隔內(nèi)彈簧振子所在的不同位置（見圖3）。

方法2：描圖記錄。由一名學(xué)生勻速拉動(dòng)一張白紙，另一名學(xué)生沿與紙運(yùn)動(dòng)方向相垂直方向用筆往復(fù)畫線段，觀察得到運(yùn)動(dòng)圖像（見圖4）。

【問題2】用頻閃照相、描圖記錄的方法得到了彈簧振子的運(yùn)動(dòng)圖像，這個(gè)圖像可能是什么有規(guī)律的曲線？

（通過提問使學(xué)生提出“彈簧振子運(yùn)動(dòng)圖像符合正弦函數(shù)規(guī)律”的猜想，驅(qū)動(dòng)學(xué)生以小組為單位合作探究。）

▲猜想

生1：驗(yàn)證這條曲線是否符合正弦函數(shù)規(guī)律，實(shí)質(zhì)上是驗(yàn)證這條曲線上的各個(gè)點(diǎn)是否滿足正弦函數(shù)。

生2：驗(yàn)證每一個(gè)點(diǎn)太困難了，能否只驗(yàn)證某幾個(gè)特殊的點(diǎn)？

生3：正弦函數(shù)具有對(duì)稱性，我們只研究周期。周期以內(nèi)比較熟悉的特殊點(diǎn)，如等，如果在正弦曲線上的對(duì)應(yīng)位移與實(shí)際位移相吻合，則證明我們所得到的運(yùn)動(dòng)圖像是正弦函數(shù)。

▲設(shè)計(jì)表格及測(cè)量計(jì)算驗(yàn)證

▲結(jié)論：彈簧振子運(yùn)動(dòng)圖像符合正弦函數(shù)規(guī)律。

（設(shè)計(jì)意圖：通過問題激發(fā)學(xué)生的探究意識(shí)，使其主動(dòng)參與彈簧振子運(yùn)動(dòng)圖像的記錄、分析過程。利用小組合作學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題、提出猜想、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案等，指導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷物理實(shí)驗(yàn)的全過程，并得到“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”的概念及特征。）

（三）練習(xí)鞏固

第一，布置實(shí)驗(yàn)裝置組裝任務(wù)。要求學(xué)生如圖5-1所示組裝實(shí)驗(yàn)裝置。其中，細(xì)線懸掛的漏斗可被視作單擺，漏斗可被視作擺球，使懸掛的漏斗在固定的平面內(nèi)做小角度擺動(dòng)，使其做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。

第二，布置觀察任務(wù)。要求學(xué)生如圖5-2所示，使漏斗在一個(gè)固定的豎直平面內(nèi)擺動(dòng)，沿垂直于該平面的OO′方向勻速拉動(dòng)薄板，觀察從擺動(dòng)的漏斗中漏出的細(xì)沙在板上形成的曲線。

第三，布置解題任務(wù)。要求學(xué)生結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象探究以下問題。

（1）擺動(dòng)沙擺，保持木板靜止，細(xì)沙的分布特點(diǎn)如何？中間的細(xì)沙多還是兩邊的細(xì)沙多？

（2）勻速拉動(dòng)木板時(shí)，細(xì)沙落在木板上形成怎樣的曲線？這曲線符合什么規(guī)律？怎樣驗(yàn)證曲線規(guī)律？

（3）實(shí)驗(yàn)中，可以不勻速拉動(dòng)木板嗎？

（設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合物理、數(shù)學(xué)知識(shí)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)會(huì)以O(shè)O′表示時(shí)間軸，垂直于OO′的坐標(biāo)x表示擺球在不同時(shí)刻相對(duì)于平衡位置的位移，獲得沙擺做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)時(shí)位移x隨時(shí)間t變化的圖像，鞏固“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像都是正弦（或余弦）曲線”的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)成果。）

（四）總結(jié)升華

引導(dǎo)學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)教學(xué)習(xí)得的內(nèi)容。

師：這節(jié)課圍繞彈簧振子的運(yùn)動(dòng)展開，我們做了哪些實(shí)驗(yàn)，用了什么方法？

生：圍繞彈簧振子的運(yùn)動(dòng)圖像、彈簧振子運(yùn)動(dòng)圖像的規(guī)律展開實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用了頻閃照相描點(diǎn)法、描圖記錄法等。

師：你有哪些感悟？

生：遇到復(fù)雜物理問題時(shí)，可基于已有的知識(shí)方法類比、遷移，找到問題探究的切入點(diǎn)。物理實(shí)驗(yàn)要講究大膽猜想、小心求證，需綜合應(yīng)用物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

（設(shè)計(jì)意圖：通過提問驅(qū)動(dòng)學(xué)生回顧課上所學(xué)內(nèi)容，一方面鞏固學(xué)生關(guān)于簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)概念、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，另一方面強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)感知，使學(xué)生進(jìn)一步體驗(yàn)和熟悉物理實(shí)驗(yàn)的常用方法和一般過程。）

六、作業(yè)設(shè)計(jì)

（一）書面作業(yè)設(shè)計(jì)

1.判斷題：判斷下列說法的正誤。

（1）平衡位置即振子能靜止的位置。

（2）簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡是正弦（或余弦）曲線。

（3）簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)屬于勻變速直線運(yùn)動(dòng)。

（4）只能用頻閃照相機(jī)捕捉簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.選擇題。

（多選）下列關(guān)于理想彈簧振子的說法中，錯(cuò)誤的有（）

A.隨便選擇彈簧、小球即可構(gòu)成彈簧振子。

B.彈簧的彈性限度決定了彈簧振子中小球的振動(dòng)范圍。

C.彈簧振子中，不能忽略空氣阻力。

D.彈簧振子中，小球一旦振動(dòng)起來就不會(huì)停止。

3.分析題：如何判斷一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)是否為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)？與勻速運(yùn)動(dòng)相比，簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的速度有什么不同特點(diǎn)？

（設(shè)計(jì)意圖：加深學(xué)生對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)原理、操作教學(xué)內(nèi)容的印象。）

（二）實(shí)驗(yàn)作業(yè)設(shè)計(jì)

用玻璃珠、彈簧等生活中常見的工具組裝彈簧振子，用手機(jī)代替頻閃照相機(jī)記錄振子運(yùn)動(dòng)軌跡，繪制振子的時(shí)間—位移圖像。

（設(shè)計(jì)意圖：驅(qū)動(dòng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，鍛煉學(xué)生實(shí)驗(yàn)裝置安裝、實(shí)驗(yàn)操作、觀察及圖像捕捉能力等，進(jìn)一步提高學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)水平。）

七、板書設(shè)計(jì)

（作者單位：甘肅省天水市張家川縣第二高級(jí)中學(xué)）

編輯：常超波

作者簡(jiǎn)介：王升（1981—），男，漢族，甘肅天水人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：高中物理教育教學(xué)。