高二物理选修3-4 初识简谐振动

高二物理选修3-4 初识简谐振动
一、教学设计思想：
简谐运动是学生在原有机械运动学习的基础上，要进一步学习的更为复杂的运动形式。

在学生对胡克定律和牛顿定律以及位移的概念有正确的认识的基础上，整合传统实验和信息技术（DIS实验系统），为方便学生探究简谐振动运动原因和运动规律提供条件，并引导学生去观察，比较、判断一次全振动过程中各物理量变化的情况，去发现简谐振动运动特性。

二、教学任务分析：
简谐振动是匀速直线运动、匀变速直线运动和匀速圆周运动之后学生接触的又一动类型，从局部来看，简谐振动是变加速直线运动，从整体来看，简谐振动同匀速圆周运动一样是一种周期运动。

因此，简谐振动是以往所学知识的一次大综合，它的运动是比较复杂的。

同时简谐振动又是后面学习“波动”的基础。

因此，学好简谐振动，掌握它的运动特点，搞清楚它与其它运动的联系与区别是非常重要的。

（一）知识技能：
1、初步认识机械振动现象，构建简谐运动的基本概念，巩固和扩大学生在运动学和动力学方面的认识结构。

2、通过观察生活中机械运动的现象，进而观察理想模型弹簧振子的振动过程，引导学生认识振动的运动特征——围绕中心位置做周期性运动，以及产生振动的条件，形成机械振动的物理概念。

3、运用多媒体将弹簧振子在一次全振动中四段不同运动的暂态与动态显示在屏幕上，让学生应用已经学过的胡克定律和牛顿定律，分析弹簧振子一次全振动中位移、回复力、加速度、速度随时间的变化情况，归纳出简谐运动的规律，形成简谐运动的概念。

4、引导同学知道做简谐运动的物体其位移随时间变化的图像。

通过DIS实验直接观察到声音的振动图像，比较了解到简谐振动是一种最简单、最基本的振动，其他实际的振动是由多个或无限个简谐运动组合而成。

（二）过程和方法
1、引导学生通过观察、建立理想模型和比较分析的方法探究物体做简谐运动的条件和规律。

2、让学生通过观察归纳出机械振动的特点，培养学生的观察、归纳能力
3、渗透物理学方法的教育。

突出主要因素，抽象出理想化的物理模型——弹簧振子
4、通过实验，研究弹簧振子在振动过程中各物理量变化的规律，培养观察、分析及整理实验结果的能力
（三）情感态度与价值观
1、预设一个个物理环境，增强学生的学习物理的兴趣，进而学会用科学的态度和方法观察、分析物理现象，掌握物理规律。

2、通过实验研究弹簧振子在“理想条件”下的振动，应用小组讨论交流的教学方式促进学生相互协作和交流，培养学生的合作的意识。

（四）教学重点和难点：
1．教学的重点：建立简谐运动的概念；理解弹簧振子位移随时间变化的图像的含义；分析一次全振动过程中振子的位移、回复力、加速度、速度随时间的变化。

2．教学的难点：运用胡克定律和牛顿定律，分析弹簧振子一次全振动中位移、回复力、加速度、速度随时间的变化情况，归纳出简谐运动的规律。

（五）学习资源和器材：
DIS实验设备：计算机，投影仪，数据采集器，声传感器，位移传感器
演示实验器材：弹簧，重物，音叉，气垫式弹簧振子
自制powerpoint幻灯片
（六）教学过程：
情景引入：
请同学们观察几种运动（逐次出示几种弹簧振子和摆的振动）
提问：在生活中还有那些运动与老师刚才演示的的运动相类似学生回答：荡秋千、钟摆……
提问：你们选择的标准是什么，也就是说这些运动有什么共同之处？
学生讨论、回答，教师注意提示学生将这种运动形式与以前学过的直线运动、圆周运动区别开来，然后总结，这些物体的运动总是在“某个中心位置”附近展开的，我们把这个位置称为“平衡位置”（此时“平衡位置”这个概念可以稍微模糊一些），把物体在某个平衡位置附近所作的往复运动叫做机械振动。

新课教学：
板书：第一章机械振动
物体在某一中心位置两侧所做的往复运动叫机械振动。

设问：一个物体为什么会做机械振动呢？也就是说机械振动的原因是什么？
活动：请同学们分析一个振动物体在几个状态下的受力，并分析归纳，得出结论。

当物体由于某些原因偏离了平衡位置就会振动起来，可以分析得到：当物体偏离了中心位置时受到方向指向中心位置的力，这个力使物体回到中心位置。

在物理学中我们按照这个力的效果把它命名为：回复力。

板书：机械振动的原因——回复力
回复力的方向：总是与位移的方向相反，即总是指向平衡位置（始终在变化）
回复力的效果：使振子回到平衡位置
提问：回复力与以往学过的什么力比较类似？有哪些地方类似？
回答：圆周运动的向心力。

都是以效果来命名的力。

向心力是物体作圆周运动的原因。

（可以是一个力或几个力的合力来充当，也可以是某个力的分力来充当，方向上都是始终指向某一位置。

举例说明）
生活中的振动现象很多，也很复杂。

物体在回复力的作用下如何运动的？那么今天，先让我们从最简单的情况入手进行研究。

演示气垫式弹簧振子。

气垫起到什么作用呢？减小阻力。

请同学们想象一下，如果完全没有阻力，振子的振动将会怎样？——将持续振动更长的时间。

引导学生建立理想模型——弹簧振子老师小结：弹簧振子可以有各种不同的外观，但都是一个不考虑摩擦阻力，不考虑弹簧的质量，不考虑振子的大小和形状的理想化的物理模型。

由弹簧和小球组成的系统。

（注意物理方法——理想模型的建立）
板书：实例：弹簧振子（理想模型）
多媒体演示：出示不仅可以控制暂态和动态，还能变化成位移时间图像的多媒体动画当振子静止在O点时，受到哪些力作用？振子处于什么状态？
将振子拉到B点，然后释放，振子将从B点回到O点，然后冲向A点，接着又乖乖地从A点回到O点，再由O点冲向B点，之后将重复以上运动，往复不断，振子围绕着O点作振动，O点即是它的平衡位置。

振子从B点出发，到再次回到B 点，我们说它完成了一次全振动。

振动的质点从某一位置出发再次回到该位置，并保持与出发时相同运动的过程称为全过程。

板书：全振动：B→O→A→O→B
接下来请同学们观察一下在一次全振动中，振子的哪些物理量在发生变化？
教师指导，学生分组讨论完成下表：教师利用多媒体演示归纳总结。

设问：根据上表，并通过分析振子所受回复力，指出各物理量之间又什么关系？
从方向上看，始终与振子离开平衡位置的位移的方向相反，即指向平衡位置O 点。

从大小上看：对于弹簧振子来说，这个力即是弹簧对振子的弹力，它的大小与弹簧的形变量，即振子离开平衡位置的位移成正比，F＝－kX（负号表示力与位移的方向相反，k是比例系数，对弹簧振子来说即劲度系数。

）
思考：振子在中心位置处回复力为多少？
回复力为零，因此我们也把中心位置叫做平衡位置。

X是振子对平衡位置的位移，K是一个常数，对弹簧振子来说，就是弹簧的劲度系数。

由此可见，振子在大小与位移成正比，方向始终指向平衡位置的回复力作用下的振动。

物理上我们把这种振动称为是简谐振动。

板书：简谐振动
定义：质点在大小与位移成正比，方向始终指向平衡位置的回复力作用下的振动。

物理上我们把这种振动称为是简谐振动。

特点：F＝－kX
a=-kx/m
简谐振动振动图像，多媒体演示。

学生通过描图获得。

利用DIS实验系统，获取音叉和人说话的振动图像，ppt演示其他振动的图像。

指明简谐振动是一种最简单，最基础的机械振动。

练习：
例题1、一弹簧振子，在振动过程中每次通过同一位置时，保持相同的物理量有：（）
A 速度
B 加速度
C 位移
D 动能
2、如图所示，如果弹簧振子离开平衡位置的距离为4cm，完成一次生
振动通过的路程是多少？振子在振动过程中，经过哪一点时，位移最大？经过哪一点时，回复力最小？
巩固小结：
这节课，我们建立了一个新的理想模型――弹簧振子，并分阶段分析了它的一次全振动中的运动情况和受力情况。

得到了机械振动和简谐振动的产生条件。

布置作业：。