高中人教物理選擇性必修一第2章第5節(jié)用單擺測量重力加速度教學(xué)設(shè)計(jì)

1、人教版高中物理選擇性必修1第2章第5節(jié)用單擺測量重力加速度教學(xué)設(shè)計(jì)課題 單擺測量重力加速度單元2學(xué)科物理年級高二教材分析用單擺測量重力加速度是高中階段精度比較高的實(shí)驗(yàn)。教材按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作的一般步驟，先介紹實(shí)驗(yàn)思路，依據(jù)周期公式讓學(xué)生“想一想， 要根據(jù)上式測量重力加速度，需要測量哪些物理量?應(yīng)該如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置、選擇實(shí)驗(yàn)器材?怎樣才能減小實(shí)驗(yàn)誤差?”在學(xué)生思考和討論的基礎(chǔ)上，進(jìn)而描述實(shí)驗(yàn)裝置和物理量的測量方法，提出常用的數(shù)據(jù)分析方法。為了保證實(shí)驗(yàn)的精度，本節(jié)教材對減小實(shí)驗(yàn)誤差非常重視，在實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)上引導(dǎo)學(xué)生思考如何減小實(shí)驗(yàn)誤差:在“思考與討論”中要求學(xué)生討論如何選擇擺線、擺球，以及擺線的懸

2、掛方式:在擺長、周期的測量環(huán)節(jié)，分別提供兩種測量方式進(jìn)行對比，引導(dǎo)學(xué)生討論后根據(jù)測量需要進(jìn)行選擇:在數(shù)據(jù)分析時(shí)引導(dǎo)學(xué)生采用圖像法減小實(shí)驗(yàn)誤差。本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)是單擺擺長和周期的測量及實(shí)驗(yàn)誤差分析。單擺擺長和周期的測量是完成本實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，也是實(shí)驗(yàn)誤差的主要來源。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和誤差分析是本節(jié)的教學(xué)難點(diǎn)。學(xué)生雖已經(jīng)具備利用單擺周期公式求重力加速度的能力，但在通過測量和數(shù)據(jù)處理來提高實(shí)驗(yàn)精度方面存在不足。學(xué)生知道“平均值法”能減小偶然誤差，但對用圖像法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還不夠熟練。教學(xué)目標(biāo)與核心素養(yǎng)1.明確用單擺測定重力加速度的原理和方法。2.學(xué)會用單擺測當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋瑢W(xué)會減小實(shí)驗(yàn)誤差的方法。3.知道如何

3、選擇實(shí)驗(yàn)器材，能熟練地使用秒表?？茖W(xué)探究：利用單擺測量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣瓤茖W(xué)態(tài)度與價(jià)值觀：通過對當(dāng)?shù)丶铀俣鹊臏y量，培養(yǎng)認(rèn)真探究的科學(xué)精神和知識的遷移應(yīng)用能力。重點(diǎn)學(xué)會用單擺測當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，學(xué)會減小實(shí)驗(yàn)誤差的方法。難點(diǎn)學(xué)會用單擺測當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，學(xué)會減小實(shí)驗(yàn)誤差的方法。教學(xué)過程教學(xué)環(huán)節(jié)教師活動學(xué)生活動設(shè)計(jì)意圖導(dǎo)入新課了解地球表面重力加速度的分布，對地球物理學(xué)、航空航天技術(shù)及大地測量等領(lǐng)域有十分重要的意義。為此,就需要了解測量重力加速度的方法。如何測量重力加速度呢？思考原來學(xué)習(xí)過的測量重力加速度的方法。 引發(fā)學(xué)生思考，在回顧舊知識的同時(shí)，引出新課內(nèi)容。講授新課1、物體可以看做單擺的條件？懸點(diǎn)：

4、固定。細(xì)線：不可伸縮，質(zhì)量不計(jì)，長度遠(yuǎn)大于小球直徑。擺球：體積小，質(zhì)量大。擺角：小于5。2、利用單擺測重力加速度的原理是什么？單擺做簡諧運(yùn)動時(shí)，其周期為：得：只要測出單擺的擺長L和振動周期T，就可以求出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭的值。 3、其中涉及到的擺長L和周期T怎么測量？（1）測擺長：擺長為L+r用米尺量出懸線長L，精確到毫米用游標(biāo)卡尺測擺球直徑，算出半徑r，也準(zhǔn)確到毫米（2）測周期：把單擺從平衡位置拉開一個(gè)角度（5）釋放，用秒表測量單擺的周期。思考：怎樣才能減小測量L和T的誤差？ 為了測量周期，擺球到達(dá)哪個(gè)位置的時(shí)刻作為計(jì)時(shí)開始與停止的時(shí)刻比較好？ 用秒表測量單擺完成30次全振動（或50次）所用

5、的時(shí)間t，求出完成一次全振動所需要的時(shí)間，這個(gè)平均時(shí)間就是單擺的周期。應(yīng)以擺球經(jīng)平衡位置計(jì)時(shí)開始與停止時(shí)刻4、請簡述實(shí)驗(yàn)步驟？（1）做單擺：讓細(xì)線的一端穿過擺球的小孔，然后打一個(gè)比孔大的線結(jié)，制成一個(gè)單擺.（2）測擺長：擺長為l=l線+d/2（3）測周期：把單擺從平衡位置拉開一個(gè)角度（5o）放開它。用秒表測量單擺的周期。以擺球經(jīng)平衡位置計(jì)時(shí)開始與停止時(shí)刻。（4）數(shù)據(jù)處理平均值法：每改變一次擺長，將相應(yīng)的l和T代入公式中求出g值，最后求出g的平均值.如下表處理數(shù)據(jù)：圖像法：由得作出T2-l圖像，即以T2為縱軸,以l為橫軸.其斜率 由圖像可計(jì)算出斜率，可求出重力加速度。 （5）重復(fù)幾次實(shí)驗(yàn)。5、分

6、組完成實(shí)驗(yàn)6、誤差分析1、本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差主要來源于單擺模型本身是否符合要求,即懸點(diǎn)是否固定;是單擺還是復(fù)擺;球、線是否符合要求;振動是圓錐擺還是同一豎直平面內(nèi)振動以及測量哪段長度作為擺長等。2、本實(shí)驗(yàn)偶然誤差主要來自時(shí)間(即單擺周期)的測量上。因此要注意測準(zhǔn)時(shí)間(周期),要從擺球通過平衡位置開始計(jì)時(shí),不能多記或漏記振動次數(shù)。為了減小偶然誤差,應(yīng)進(jìn)行多次測量后取平均值。提高實(shí)驗(yàn)精度從兩個(gè)方面入手：(1)盡可能準(zhǔn)確地測量出擺長和周期；(2)多次改變擺長,重做實(shí)驗(yàn)得到多組數(shù)據(jù),并用圖像法處理數(shù)據(jù)。7、本實(shí)驗(yàn)有哪些注意事項(xiàng)？選擇材料時(shí)應(yīng)選擇細(xì)輕又不易伸長的線，長度一般在1m左右，小球應(yīng)選用密度較大的金

7、屬球，直徑應(yīng)較小，最好不超過2 cm；單擺懸線的上端不可隨意卷在鐵夾的桿上，應(yīng)夾緊在鐵夾中，以免擺動時(shí)發(fā)生擺線下滑或懸點(diǎn)不固定，擺長改變的現(xiàn)象；注意擺動時(shí)擺角不易過大，不能超過5，以保證單擺做簡諧運(yùn)動；擺球擺動時(shí)，要使之保持在同一個(gè)豎直平面內(nèi)，不要形成圓錐擺；測量從球通過平衡位置時(shí)開始計(jì)時(shí)，因?yàn)樵诖宋恢脭[球速度最大，易于分辨小球過此位置的時(shí)刻。為了減少偶然誤差改變擺長，多次測量求平均值 。課堂練習(xí)1、(1)物理課外小組研究“用單擺測重力加速度”實(shí)驗(yàn),他們依照教材實(shí)驗(yàn)直接測量的物理量應(yīng)為、,其公式為。(2)他們測出不同的擺長(l)所對應(yīng)的周期(T),在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí):如果甲同學(xué)以擺長(l)為橫坐

8、標(biāo)、周期(T)的二次方為縱坐標(biāo)作出了T2-l圖像,若他測得的圖像的斜率為k,則測得的重力加速度g=。若甲同學(xué)測擺長時(shí),忘記測擺球的半徑,則他用圖像法求得的重力加速度(選填“偏小”“偏大”或“準(zhǔn)確”)。乙同學(xué)根據(jù)公式 : ,并計(jì)算重力加速度,若乙同學(xué)測擺長時(shí),也忘記了測擺球的半徑,則他測得的重力加速度(選填“偏小”“偏大”或“準(zhǔn)確”)。(3)甲同學(xué)測量5種不同擺長下單擺的振動周期,記錄結(jié)果如表所示。以擺長(l)為橫坐標(biāo)、周期(T)的二次方為縱坐標(biāo),作出T2-l圖像,請你替他在作出T2-l圖像,利用此圖像求出的重力加速度大小為。解析:(1)本實(shí)驗(yàn)是利用單擺的周期公式T=2lg得出g=42lT2,即

9、只要測出擺長l和周期T就能求出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭,而l=l0+d2,T=tn。顯然,本實(shí)驗(yàn)直接測量的物理量應(yīng)為擺線長l0、擺球直徑d以及完成n次全振動所用的時(shí)間t。其公式為g=42(l0+d2)n2t2。(2)若依據(jù)測量數(shù)據(jù),作出T2-l圖像,其斜率為k=T2l,而g=42lT2,故有g(shù)=42k。圖像函數(shù)式應(yīng)為T2=42gl,如果忘記d,則函數(shù)式寫為T2=42g(l-d2),顯然圖像的斜率不變,所以加速度的測量值不變。若根據(jù)公式T=2lg,得g=42lT2,并計(jì)算重力加速度,如果忘記d,測量公式寫為g=42(l-d2)T2,顯然測量值偏小。(3)建立如圖坐標(biāo)系,并標(biāo)出適當(dāng)?shù)臉?biāo)度,依據(jù)數(shù)學(xué)描點(diǎn)法

10、畫出T2-l圖像如圖所示,則圖像的斜率大約為k=4.0。依據(jù)圖像求出重力加速度為g=42k=9.86 m/s2。答案:(1)擺線長l0擺球直徑dn次全振動的時(shí)間tg=42(l0+d2)n2t2(2)42k準(zhǔn)確偏小(3)T2-l圖像見解析9.86 m/s2思考什么是單擺？單擺的理想化模型如何理解。小組討論測重力加速度的原理，以及涉及到的物理量的測量方法。結(jié)合前面的討論內(nèi)容，梳理實(shí)驗(yàn)操作步驟。學(xué)生結(jié)合討論內(nèi)容，分組完成實(shí)驗(yàn)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)誤差。結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作過程，總結(jié)實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)。完成課堂練習(xí)。思考單擺的定義，讓學(xué)生明確在現(xiàn)實(shí)生活中如何得到單擺模型，為下一步完成實(shí)

11、驗(yàn)操作打下基礎(chǔ)。通過小組討論，讓學(xué)生掌握測量方法，明確實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)。提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。讓學(xué)生掌握常用的數(shù)據(jù)處理方法：平均值法和圖像法。讓學(xué)生先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，結(jié)合實(shí)驗(yàn)操作數(shù)據(jù)和操作流程，總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)中需要注意的事項(xiàng)，并對所測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析。更能加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)的理解程度。通過練習(xí)鞏固基礎(chǔ)知識。拓展提高1.用單擺測定重力加速度,根據(jù)的原理是()A.由 看出，T一定時(shí)，g與L成正比。B.由 看出，l一定時(shí)，g與T2成反比。C.由于單擺的振動周期T和擺長l可以試驗(yàn)測定，因此利用可算出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取.同一地區(qū)單擺的周期不變,不同地區(qū)的重力加速度與周期的二次方成反比。解析:同一地區(qū)重力加

12、速度不變,選項(xiàng)A、B、D錯(cuò)誤;用單擺測重力加速度的原理是,根據(jù)單擺的周期公式T=2lg得g=42lT2,測出單擺周期T和擺長l,計(jì)算可得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭,選項(xiàng)C正確。答案：C2.某同學(xué)用實(shí)驗(yàn)的方法探究影響單擺周期的因素。(1)他組裝單擺時(shí),在擺線上端的懸點(diǎn)處,用一塊開有狹縫的橡皮夾牢擺線,再用鐵架臺的鐵夾將橡皮夾緊,如圖所示。這樣做的目的是(填字母代號)。A.保證擺動過程中擺長不變B.可使周期測量得更加準(zhǔn)確C.需要改變擺長時(shí)便于調(diào)節(jié)D.保證擺球在同一豎直平面內(nèi)擺動(2)他組裝好單擺后在擺球自然懸垂的情況下,用毫米刻度尺從懸點(diǎn)量到擺球的最低端的長度l=0.999 0 m,再用游標(biāo)卡尺測量擺球直

13、徑,結(jié)果如圖所示,則該擺球的直徑為 mm,單擺擺長為 m。(3)下列振動圖像真實(shí)地描述了對擺長約為1 m的單擺進(jìn)行周期測量的四種操作過程。圖中橫坐標(biāo)原點(diǎn)表示計(jì)時(shí)開始,A、B、C均為30次全振動的圖像,已知sin 5=0.087,sin 15=0.26,這四種操作過程合乎實(shí)驗(yàn)要求且誤差最小的是(填字母代號)。解析:(1)用一塊開有狹縫的橡皮夾牢擺線的目的是保證擺動過程中擺長不變,需要改變擺長時(shí)便于調(diào)節(jié),選項(xiàng)A、C正確。(2)根據(jù)游標(biāo)卡尺讀數(shù)規(guī)則,擺球直徑為12.0 mm,單擺擺長為L-d/2 =0.999 0 m-0.006 0 m=0.993 0 m。(3)單擺測量周期,必須從平衡位置開始計(jì)時(shí),且擺角小于5,所以合乎實(shí)驗(yàn)要求且誤差最小的是A。答案:(1)A C (2)12.00.993 0(3)A3.下表是用單擺測定重力加速度實(shí)驗(yàn)中獲得的有關(guān)數(shù)據(jù):(1)利用上述數(shù)據(jù),作出l-T2圖像。(2)利用圖像,取T2