高二物理(人教版 教科版通用) 波的圖像教案

1、波的圖像教學(xué)設(shè)計一，指導(dǎo)思想與理論依據(jù)以核心素養(yǎng)指導(dǎo)，基于學(xué)習(xí)進階理論，從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面提煉學(xué)科育人價值，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)。以學(xué)生的學(xué)為中心，使學(xué)生經(jīng)歷由事實經(jīng)驗映射到科學(xué)術(shù)語，將科學(xué)術(shù)語種的物理量關(guān)聯(lián)到物理概念，在核心概念的統(tǒng)領(lǐng)下，整合跨學(xué)科的概念體系。二，教學(xué)內(nèi)容分析教學(xué)內(nèi)容將從“物理觀念”“科學(xué)思維”兩個方面入手培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。物理觀念：通過分析機械波傳播過程中波的圖像隨時間的變化關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生從相互作用與運動的角度去分析物理問題，通過分析波動圖像中各個質(zhì)點的振動能量培養(yǎng)學(xué)生的能量觀科學(xué)思維：在本節(jié)課中需要建構(gòu)波的圖像這一物理模型；通過讓學(xué)生

2、畫各個質(zhì)點的位移矢量描繪波的圖像，引導(dǎo)學(xué)生思考：波的圖像與波的形狀有何區(qū)別，從而理解波的圖像是對客觀的波的形狀的理想化數(shù)學(xué)模型，通過類比簡諧振動的x-t圖像分析波的圖像中蘊含的物理量的信息，從定量和定性兩個方面經(jīng)歷科學(xué)推理的過程，找出波傳播過程中的規(guī)律，形成一致的結(jié)論，并能解決實際的問題。三，學(xué)情分析在學(xué)習(xí)波的圖像之前，在上一章學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了機械振動的知識，能夠以x-t圖像為工具去分析機械振動的相關(guān)問題，在上一節(jié)課，已經(jīng)學(xué)習(xí)了機械波的形成與傳播，對波的形成與傳播已經(jīng)形成了初步的理解，由于質(zhì)點之間的相互作用，前面的質(zhì)點依次帶動后面的質(zhì)點振動，波源質(zhì)點的振動狀態(tài)就傳播出去了。因此學(xué)生已經(jīng)具有了學(xué)習(xí)

3、機械波的知識基礎(chǔ)，但是如何從波的形狀構(gòu)建波的圖像的物理模型，這是學(xué)生思維生長的薄弱之處。機械振動的x-t圖像的知識一方面能夠幫助學(xué)生從波的圖像中分析物理量的信息，另一方面也容易造成思維定勢，因此在教學(xué)重既要強調(diào)兩種圖像的區(qū)別，也要搭建二者之間的聯(lián)系。四，教學(xué)目標(biāo)1.通過從橫波的形狀，描繪各個質(zhì)點的位移矢量，構(gòu)建波的圖像，理解波的圖像的物理意義。2. 知道隨著時間的推移波的圖像沿著傳播方向平移，而各個質(zhì)點只在平衡位置附近往復(fù)運動，不隨波遷移。3.通過觀察與分析波的圖像，從圖像中獲取某時刻，各個質(zhì)點振動的振幅，位移，回復(fù)力，加速度，振動勢能，動能，振動速率等物理量的信息。4.通過比較質(zhì)點的振動圖像

4、與波的圖像，理解二者之間的區(qū)別。五，教學(xué)重難點分析與應(yīng)對策略教學(xué)重點在于構(gòu)建波的圖像這一物理模型，并認識到波的形狀與波的圖像之間的區(qū)別。應(yīng)對策略為從橫波的形狀，描繪各個質(zhì)點的位移矢量，構(gòu)建波的圖像，理解波的圖像是一種數(shù)學(xué)函數(shù)圖像，它的長短高低與坐標(biāo)尺度的選取有關(guān)，而波的形狀是客觀存在，不會因坐標(biāo)尺度的選取而改變。教學(xué)難點在于區(qū)分質(zhì)點的振動圖像與波的圖像，并通過觀察與分析波的圖像，從圖像中獲取某時刻，各個質(zhì)點振動的振幅，位移，回復(fù)力，加速度，振動勢能，動能，振動速率等物理量的信息。應(yīng)對策略為突出振動圖像與波的圖像坐標(biāo)軸的區(qū)別，通過理解坐標(biāo)軸的物理意義，來理解波的圖像的物理意義，并從圖像中獲取信息

5、。六，教學(xué)流程：七，教學(xué)過程：環(huán)節(jié)一，復(fù)習(xí)引入教師：在學(xué)習(xí)新課之前，我們首先復(fù)習(xí)上節(jié)課學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容。問題1，機械波的概念。問題2，機械波形成與傳播的原因：問題3，兩種機械波： 學(xué)生：回答1，機械振動在介質(zhì)中依次傳播形成了機械波?；卮?，由于相鄰質(zhì)點之間存在著相互作用，前面的質(zhì)點依次帶動后面的質(zhì)點振動，后面的質(zhì)點都跟著振動起來，只是后面的質(zhì)點總比前面的質(zhì)點遲一些開始振動。這樣，波源質(zhì)點的振動狀態(tài)就傳播出去了。波在傳播“振動”這種運動形式的同時，也將波源的能量傳遞出去。回答3，質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相互垂直的波，叫做橫波 。質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向相互平行的波，叫做縱波 。環(huán)節(jié)二，回顧

6、振動圖像教師：本節(jié)課我們的學(xué)習(xí)內(nèi)容是波的圖像，說到圖像，在上一章我們學(xué)習(xí)過質(zhì)點簡諧運動的振動圖像。問題4，圖像的橫軸表示什么物理量呢？圖像的縱軸表示什么物理量呢？回答4，是時間，用字母t表示，單位是秒。是質(zhì)點各個時刻偏離平衡位置的位移，用字母x表示，單位是米。振動圖像反映了質(zhì)點在不同時刻偏離平衡位置的位移，問題5，那么，從質(zhì)點簡諧運動的振動圖像中你能分析出哪些信息呢？回答5，從圖像中可以很直觀地分析出，質(zhì)點的振幅A：也就是質(zhì)點離開平衡位置的最大距離為0.3m。質(zhì)點的振動周期T：也就是質(zhì)點完成一次全振動所需要的時間為4s.質(zhì)點在任意時刻偏離平衡位置的位移我們也能分析出來，對應(yīng)的坐標(biāo)為（t,x）.

7、教師：從圖像中還可以間接地分析出質(zhì)點振動的頻率f ,f=1/T,以及質(zhì)點在各個時刻的位移的相關(guān)量，比如回復(fù)力，加速度，勢能。雖然圖像中沒有說明，回復(fù)力與位移的比例系數(shù)以及質(zhì)點的質(zhì)量,但是根據(jù)位移我們就可以定性的比較質(zhì)點在各個時刻的回復(fù)力，加速度以及勢能的大小。此外，振動圖像上某一點的斜率k=x/t,斜率的大小表示質(zhì)點振動速度的大小，斜率的正負表示振動速度的方向，既然已經(jīng)分析出質(zhì)點振動的速度也就能分析出質(zhì)點振動的動能大小。同時我們發(fā)現(xiàn)質(zhì)點距離平衡位置越近振動速度越大，質(zhì)點距離平衡位置越遠振動速度越小環(huán)節(jié)三，如何用圖像描述機械波教師：要了解一個物理過程,物理現(xiàn)象和物理規(guī)律,最簡單、最直接的方式就是

8、利用圖像來分析。但是相比于振動圖像 描述的是單個質(zhì)點的運動情況，波的圖像 研究的對象是很多質(zhì)點的運動情況，在同一時刻各個質(zhì)點的位移都不盡相同，教師：如何用圖像來描述機械波呢？本節(jié)課我們就以橫波為例，研究波的圖像。教師：由于機械波始終 隨時間周期性變化，相當(dāng)于一部循環(huán)播放的視頻，因此我們將這樣一部視頻，拆分為不同時刻的照片，依次排列，只要描述清楚了 每一時刻對應(yīng)每一幀波的照片，波的傳播規(guī)律也就能夠研究清楚了。問題6，觀察 經(jīng)過相等時間間隔的橫波的照片，你能從中總結(jié)出什么規(guī)律呢？回答6，波勻速傳播，而各個質(zhì)點只在平衡位置附近往復(fù)運動，質(zhì)點不隨波遷移。問題7，再觀察動畫，除此之外你還能看出什么特點呢

9、？回答7，可以發(fā)現(xiàn)，質(zhì)點每振動一個周期，波的形狀與原來的形狀重復(fù)一次。這說明波具有時間周期性。問題8，如圖所示，這是5T時刻的波的形狀，你還能觀察出波具有什么特點呢?回答8，每平移相等的距離，波的形狀重復(fù)一次。這說明波還具有空間周期性。教師：如圖所示是T時刻波的形狀的照片，依次將各個質(zhì)點 偏離平衡位置的位移在圖上標(biāo)出。我們稱之為位移矢量。下面我們用平滑的曲線 將各個質(zhì)點的位移矢量 的末端點依次連接起來，我們發(fā)現(xiàn)該連線的形狀與橫波的形狀完全一致。沿著水平方向建立x軸單位是m，x軸上的每一個點都對應(yīng)一個質(zhì)點的平衡位置。豎直方向建立y軸單位是m，用來描述各個質(zhì)點偏離平衡位置的位移，在xOy坐標(biāo)平面內(nèi)

10、，畫出一系列坐標(biāo)為（x1，y1）， （x2，y2）， （x3，y3）， 的點，這些點的集合就是這一時刻波的圖像。問題9，波的圖像與波的形狀的含義相同么？回答9，波的形狀是客觀的存在，不會因坐標(biāo)尺度的選取而改變。而波的圖像是一種數(shù)學(xué)函數(shù)圖像，它的長短高低與坐標(biāo)尺度的選取有關(guān)，如果改變縱坐標(biāo)的單位長度，則波的圖像可以比較平緩。如果改變橫坐標(biāo)的單位長度，則波的圖像可以比較集中。因此波的圖像與波的形狀并不相同。教師：波的圖像并非一成不變的，而是隨著時間不斷變化的。隨著時間推移，波的圖像沿傳播方向平移。我們可以利用該結(jié)論，描繪經(jīng)過一段時間之后的波的圖像。環(huán)節(jié)四，波的圖像的應(yīng)用教師：通過例題1我們已經(jīng)掌握

11、了波的圖像隨時間的變化特點。問題10，如圖所示是某時刻一列橫波的圖像。圖像的橫軸表示什么物理量呢？圖像的縱軸表示什么物理量呢？那么，從波的圖像中你能分析出哪些物理量呢？回答10，橫軸是各個質(zhì)點平衡位置，用字母x表示，單位是米?？v軸是某一時刻各個質(zhì)點偏離平衡位置的位移，用字母y表示，單位是米。從圖像中可以很直觀地分析出，各個質(zhì)點偏離平衡位置的最大距離，也就是振幅A為0.3m。從圖像中還可以直觀地分析出，相鄰的振動狀態(tài)總一致的兩點之間距離L為4m.從圖像中還可以分析出，此時各個質(zhì)點偏離平衡位置的位移y ，對應(yīng)坐標(biāo)（x , y）。教師：既然我們能夠分析出此時各個質(zhì)點偏離平衡位置的位移y ，根據(jù)回復(fù)力

12、大小正比于位移大小，也就能從圖像中間接地分析出 各個質(zhì)點位移相關(guān)量，雖然圖像中沒有說明回復(fù)力與位移的比例系數(shù)以及質(zhì)量的大小，但根據(jù)位移可以定性比較各個質(zhì)點的回復(fù)力以及加速度的大小。問題11，根據(jù)剛才的分析：請問你能比較此時圖中個兩質(zhì)點的回復(fù)力與加速度的大小么？ 回答11，根據(jù)回復(fù)力大小正比于位移的大小，因為 yQ的絕對值 yP的絕對值 ，所以回復(fù)力大小 FQ FP , 加速度的大小aQ aP ，并且回復(fù)力與加速度的方向均指向各自的平衡位置。問題12，你能比較此時圖像中兩質(zhì)點的振動速度的大小嗎？ 回答12，因為各個質(zhì)點只在平衡位置附近往復(fù)運動，所以從質(zhì)點振動的角度來分析：距離平衡位置越近，振動速

13、度越大；距離平衡位置越遠，振動速度越小。Q點距離平衡位置更遠，所以 vQ vP ,此外，我們還可以比較質(zhì)點振動的動能。動能EkQ EkP 問題13，那如何根據(jù)波動圖像來判斷質(zhì)點振動的方向呢？回答13，我們可以利用波的圖像隨時間的變化關(guān)系：隨著時間推移，波的圖像沿傳播方向平移。來判斷L質(zhì)點的振動方向。 假設(shè)1：波向右傳播。將波的圖像向右平移，畫出經(jīng)過很短一段時間之后的波的圖像。根據(jù)波在傳播過程中，各個質(zhì)點只在平衡位置附近往復(fù)運動。判斷出L質(zhì)點的振動方向向下。假設(shè)2：波向左傳播。將波的圖像向左平移，畫出經(jīng)過很短一段時間之后的波的圖像。根據(jù)波在傳播過程中，各個質(zhì)點只在平衡位置附近往復(fù)運動。判斷出L質(zhì)

14、點的振動方向向上。你能否給這種方法取一個名字呢？我們可以稱之為平移法：平移法的關(guān)鍵在于將波的圖像沿傳播方向平移,畫出t （ t T/4） 之后的圖像。教師： 反之，運用逆向思維的方法，若我們已知波的圖像中各質(zhì)點的振動方向，利用平移法，只有當(dāng)波的圖像向右平移一小段距離時，圖上標(biāo)記的各個質(zhì)點的振動方向與平移后的波的圖像相互吻合，因此波向右傳播。環(huán)節(jié)五，振動圖像與波的圖像的比較教師：根據(jù)例題1我們發(fā)現(xiàn)波的圖像與質(zhì)點的機械振動存在聯(lián)系，而我們用x-t圖像描述質(zhì)點的機械振動，下面我們就來比較一下兩種圖像的區(qū)別。如圖所示，左圖表示振動的圖像，右圖表示波的圖像，首先最直觀的感受振動圖像與波的圖像，圖像形狀均

15、為正弦（或者余弦）曲線，這也是同學(xué)們在解決問題的時候，經(jīng)常容易混淆的地方，問題14，那如何來區(qū)別振動圖像與波的圖像?回答14，先看橫坐標(biāo)軸，振動圖像中橫軸表示時間，而在波的圖像中橫軸表示各個質(zhì)點的平衡位置。再看縱坐標(biāo)軸，振動圖像中縱軸表示某一質(zhì)點各個時刻偏離平衡位置的位移，而在波的圖像中縱軸表示某一時刻各個質(zhì)點偏離平衡位置的位移。再比較圖像的物理意義，振動圖像表示介質(zhì)中“某一質(zhì)點”在“各個時刻”的位移。波的圖像表示介質(zhì)中“各個質(zhì)點” 在“某一時刻”的位移。如果將左邊的振動圖像比喻成單個質(zhì)點隨時間變化的錄像，那么波的圖像就可以看作是一群質(zhì)點在某個時刻的照片。再比較圖像的周期性，振動圖像橫軸上相鄰

16、的振動狀態(tài)總一致的兩點之間距離表示周期。那么類似的波的圖像橫軸上相鄰的振動狀態(tài)總一致的兩點之間距離L表示什么含義呢？這留待下一節(jié)課再討論。教師： 下面我們共同總結(jié)歸納，從圖像形狀來比較：振動圖像是正弦（或者余弦）曲線，并且隨時間的變化圖像延續(xù)。波的圖像是正弦（或者余弦）曲線，并且隨時間的變化圖像平移從縱橫坐標(biāo)來比較：振動圖像縱橫坐標(biāo)表示位移-時間（x-t），波的圖像縱橫坐標(biāo)表示位移-空間位置（y-x）從研究內(nèi)容來比較：振動圖像表示某一質(zhì)點位移隨時間變化的規(guī)律，波的圖像表示某一時刻各個質(zhì)點的位移分布規(guī)律。環(huán)節(jié)六，課堂小結(jié)教師：下面我們來總結(jié)一下本節(jié)課所學(xué)習(xí)的內(nèi)容：一，本節(jié)課我們首先通過描繪某時刻 各個質(zhì)點的位移矢量，構(gòu)建了橫波的圖像，