備課人
學科
物理
課題
2.5 實驗：用單擺測重力加速度
教學內(nèi)容分析
用單擺測量重力加速度是高中階段精度比較高的實驗。教材按照實驗設計及操作的一般步驟，先介紹實驗思路，依據(jù)周期公式讓學生“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？應該如何設計實驗裝置、選擇實驗器材？怎樣才能減小實驗誤差？”在學生思考和討論的基礎(chǔ)上，進而描述實驗裝置和物理量的測量方法，提出常用的數(shù)據(jù)分析方法。為了保證實驗的精度，本節(jié)教材對減小實驗誤差非常重視，在實驗裝置設計上引導學生思考如何減小實驗誤差；在“思考與討論”中要求學生討論如何選擇擺線、擺球，以及擺線的懸掛方式；在擺長、周期的測量環(huán)節(jié)，分別提供兩種測量方式進行對比，引導學生討論后根據(jù)測量需要進行選擇；在數(shù)據(jù)分析時引導學生采用圖像法減小實驗誤差。
本節(jié)教學的重點是單擺擺長和周期的測量及實驗誤差分析。單擺擺長和周期的測量是完成本實驗的基礎(chǔ)，也是實驗誤差的主要來源。實驗數(shù)據(jù)處理和誤差分析是本節(jié)的教學難點。學生雖已經(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)處理來提高實驗精度方面存在不足。學生知道“平均值法”能減小偶然誤差，但對用圖像法處理實驗數(shù)據(jù)還不夠熟練。
學情分析
本節(jié)實驗是單擺的周期公式的重要應用，是體會物理知識在實際生活中應用的重要機會，是學習科學探究方法和實驗操作技能的重要實驗。通過前面對簡譜運動的特征及單擺的周期公式的學習，學生在理論層面應不存在問題，學習困難主要體現(xiàn)在實驗操作、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等方面。
學生學習本節(jié)的困難主要在以下幾點：
選用基本的實驗器材.在計時儀器、長度測量儀器等的選擇與使用上，學生可能存在一定困難。
(2)實驗操作細繩上端的懸掛、擺長的測量、擺的振幅把握等，學生要準確操作有一定難度為何取擺球到達最低點位置的時刻作為計時開始與停止的時刻，學生在理解上有一定困難。
(3)實驗數(shù)據(jù)的分析處理.根據(jù)單擺的周期公式，分別應用計算法、圖像法分析處理實驗數(shù)據(jù)，得到當?shù)氐闹亓铀俣萭,學生在應用上有一定困難。
(4)科學態(tài)度與責任的培養(yǎng)。實驗具體操作并不復雜，學生能夠很快完成，但學生不一定能認真規(guī)范地完成實驗操作，準確記錄實驗數(shù)據(jù)，尊重原始測量數(shù)據(jù)，需要教師幫助他們養(yǎng)成良好的實驗素質(zhì)和科學精神。
教學目標
1.會依據(jù)單擺周期公式確定實驗思路。
2.能設計實驗方案，會正確安裝實驗裝置并進行實驗操作。
3.能正確使用刻度尺測量單擺的擺長，能正確使用停表測量單擺的振動周期。
4.能正確處理數(shù)據(jù)，測出當?shù)氐闹亓铀俣取?br>5.能從多個角度進行實驗誤差分析。
教學重難點
1.教學重點：實驗設計思路、實驗原理及實驗過程中的注意事項；
2.教學難點：用兩種方法進行數(shù)據(jù)處理及實驗誤差分析。
教學過程
教學環(huán)節(jié)
教師活動
學生活動
設計意圖
新課導入
提出問題：如果你是技術(shù)人員，擺鐘銷售公司讓你幫助上節(jié)課的廣東人修理擺鐘，讓擺鐘及時更準確，你先要掌握那些數(shù)據(jù)才可以進行技術(shù)調(diào)節(jié)？
在學生交流之后，教師總結(jié)：提示：由 ，先知道當?shù)氐闹亓铀俣萭的值，然后計算出準確的擺鐘鐘擺長度。
提出問題：你有哪些辦法得到當?shù)氐闹亓铀俣饶兀?br>待學生分享后，提示：測量當?shù)匚矬w下落h高度時的時間t,然后可以計算重力加速度g;
同天平測量物體的質(zhì)量，然后用彈簧測力計測出物體的重力即可測出當?shù)氐闹亓铀俣萭... ...
能否用單擺來測量呢，如果用單擺測量，需要測量那些物理量呢？
學生結(jié)合所學知識嘗試回答問題，并與其他同學交流。
學生思考并回答。
創(chuàng)設情境，引入新課
引導學生學會系統(tǒng)思考問題。
新課教學
一、實驗思路
在學生回答引入課題問題歸納補充情況下，和學生總結(jié)本實驗的實驗思路：
單擺在偏角很小(如小于5°)時的擺動，可以看成是簡諧運動。
其周期為：
由此可得：
只要想辦法測量出單擺的擺長l和周期，帶入中就可以計算得出本地重力加速度g。
學生先分享實驗思路，然后與其他同學交流分享。
物理學習的關(guān)鍵是學會用已知知識去解決實際問題，而解決時間問題的辦法是實驗，培養(yǎng)需實驗思路遠比實驗操作更重要。
物理量的測量
（一）實驗器材
提出問題1： 線有粗細、長短的不同，伸縮性也有區(qū)別。不同的小球，質(zhì)量和體積有差異。想一想，應如何選擇擺線和擺球？為什么？
學生總結(jié)回答后，教師提煉總結(jié)：線的選擇：細一些、適當長一些（本實驗要求1m左右）。不可伸長，且細線質(zhì)量相對于擺球質(zhì)量可忽略。
擺球的選擇：半徑小一些（遠小于擺線長度）、質(zhì)量大一些。
這樣做成的裝置才符合單擺模型，當擺角小于5°時，才可看成簡諧運動，擺動周期 。
問題2：下圖畫出了細線上端的兩種不同的懸掛方式。應該選用哪種方式？為什么？你還有更好的設計嗎？
學生總結(jié)回答后，教師提煉總結(jié)：應選用乙方式懸掛，因為相對于甲裝置，乙裝置在單擺擺動過程中擺長不變，且可調(diào)整擺長。
（二）物理量的測量
設計安裝好實驗裝置后，提出問題：
測擺長：
問題：如何測量單擺擺長？
學生回答基礎(chǔ)上歸納總結(jié)：
方法一：用刻度尺直接測量小球球心與懸掛點之間的距離作為擺長的測量值。
方法二：用游標卡尺測量小球的直徑，算出它的半徑，再用刻度尺測量懸掛點與小球上端之間的距離，以二者之和作為擺長的測量值。
測周期
問題1：如何測量周期？
對學生回答問題進行提煉出一下兩個方法：
方案一：用停表測單擺一次全振動的時間作為它的周期測量值。
方案二：用停表測單擺多次全振動的時間，然后計算求出它的周期數(shù)值。
問題2：你認為哪個方案好？為什么？
然后總結(jié)歸納：由于單擺一次全振動周期較短，測量誤差較大，因此選擇第二個方案較好。
問題3：你認為停表計時起點，是從單擺的最低點開始好呢？還是從最大位置開始好呢？為什么？
提示：最低點。一是最低點位置很明確，便于觀測，而最高點位置模糊不便觀測；二是單擺經(jīng)過最低點時的速度最快，在通過最低點的瞬間按動秒表計時最精確。
學生在老師的引導下，一步步梳理自己對該問題的答案。
學生實際探究得出選用的設計方案。
、
學生回答測量擺長的方法。
學生回答測量周期的方法。
學生嘗試回答并交流。
學生可嘗試實驗進行回答并交流。
實驗器材的選用對實驗很重要，我們要不斷采用學生學過的知識引導學生選用實驗，設計嚴密的實驗。
引導學生設計出準確簡單易操作的實驗方案。
三、數(shù)據(jù)分析
（一）數(shù)據(jù)分析
如何進行數(shù)據(jù)分析得出當?shù)剌^為準確的重力加速度g?
待學生回答總結(jié)提煉后，得出如下：
1.平均值法:每改變一次擺長,將相應的l和T代入公式中求出g值,最后求出g的平均值。設計如下所示實驗表格：
圖像法：
在很多實驗數(shù)據(jù)分析中，為了讓作圖更為準確，我們通常怎么做？
提示：想辦法找到測量的兩個物理量之間的線性關(guān)系式，這樣作圖簡單而又準確。
請嘗試推導T與l之間的線性關(guān)系式？然后說明如何求出重力加速度g的準確值？
由周期公式：得
斜率：即，做出T2-l圖像，求出斜率k,則：
誤差分析
在實驗中，哪些操作會導致實驗產(chǎn)生誤差？
1.系統(tǒng)誤差
主要來自于單擺模型本身是否符合要求，即懸點是否固定，擺球和擺長是否符合要求，最大擺角是否不超過5°，是否在同一豎直平面內(nèi)擺動等。
2.偶然誤差
（1）主要來自于時間測量，測量時間時要求從擺球通過平衡位置開始計時，在記次數(shù)時不能漏記或多記。同時應多次測量，再對多次測量結(jié)果求平均值。機械式停表只能精確到0.1s，讀數(shù)時不需估
（2）測長度和擺球直徑時，讀數(shù)也容易產(chǎn)生誤差。
學生在老師的引導下回答可以用平均值法和圖像法。并完善平均值法。
學生嘗試回答問題
學生推導，然后分享結(jié)果
學生回答并交流
先讓學生理解數(shù)據(jù)分析內(nèi)容。
學會分析數(shù)據(jù)
不是老師講，認識學生推導，鍛煉學生推理能力。
認識誤差，正確處理誤差。
四、方案設計
（一）實驗步驟
讓學生根據(jù)前面學習的內(nèi)容，完善實驗步驟，然后后學生共同梳理實驗步驟：
1.在細線與小球連接制成單擺，然后固定在桌邊的鐵架臺上
2.用米尺量出線長L，用游標卡尺測擺球直徑d，則單擺的擺長為
3.讓單擺小幅擺動，用秒表測量單擺完成30次全振動（或50次）所用的時間，并計算周期T。
4. 改變擺長多做幾次并記錄數(shù)據(jù)
5. 利用擺長l和周期T代入公式
求出g或者作圖利用斜率求出g
（二）實驗注意事項
該實驗操作中需要那些注意事項？
1．選擇細線時應選擇細、輕而且不易伸長，長度約1米左右的細線，小球應選密度較大、半徑較小的金屬球。
2．單擺擺線的上端應夾緊，不能卷在鐵架臺的桿上，以免造成懸點不固定，擺長變化的現(xiàn)象。
3．測量擺長時應注意是懸點到球心的距離，等于擺線長加上小球半徑。
注意擺線長與擺長的區(qū)別。
4．要使單擺在豎直平面內(nèi)擺動，不要形成圓錐擺。
5．要注意控制擺球的最大擺角不超過5° 。
6．計算單擺的振動次數(shù)時，應從小球通過最低位置時
開始計時，同方向再次通過最低位置時，計數(shù)為1 、 2 ……
7．改變懸線長度多次測量，最后求出g的平均值。
（三）實驗操作
請同學們完成按照實驗步驟和實驗方案完成實驗，測出當?shù)氐闹亓铀俣取?br>學生梳理實驗步驟
梳理實驗注意事項
學生動手做實驗
明確實驗任務
明確實驗注意事項是為了讓學生實驗操作更為準確。
達成本節(jié)課目標
課堂總結(jié)
板書設計
第5節(jié) 用單擺測量重力加速度
作業(yè)設計
作業(yè)分為兩塊，一是課堂練習，旨在對本堂課學習中動量的概念和實驗思路進行檢測，一是分層練習，分層次的訓練學生對知識的掌握情況。
教學反思與評價
單擺測定重力加速度是物理學教學中的一個重要內(nèi)容，.在物理學課程的教學中，對于單擺的測定重力加速度是非常重要的。本文研究單擺在物理學教學中的作用，旨在探討它在教學中的重要性，以及它實際應用的可行性。
首先，要了解單擺在物理學教學中的重要性，我們需要了解它本質(zhì)上的物理原理。單擺是一種動力學系統(tǒng)，由一個空間中的物體和一個由自轉(zhuǎn)軸及其支撐的空間構(gòu)成，物體呈空間拋物線運動，由基本方程來描述。它的基本特征是周期性的自相似運動，角加速度和角速度呈正弦函數(shù)的改變，能夠比較容易地建立表達式，便于理解。單擺測得的重力加速度值稱為單擺常數(shù)，其值與物理實驗室場景中重力加速度值相近。
通過單擺實驗，學生可以嘗試觀察規(guī)律，從而更深入地理解物體運動的規(guī)律。同時由于單擺的特殊性，它還可以幫助學生探究角加速度以及重力加速度的概念。此外，在實驗過程中，學生也可以了解測量物理量的基本方法，從而增強測量技能。
有效掌握這種實驗方法對學生來說非常重要，但是要想做到這一點，實驗設計上也必須做出一定的調(diào)整。為了提高實驗效果，應該把重點放在實驗環(huán)節(jié)中，而不是教學理論上的知識。實驗環(huán)節(jié)可以通過下面幾方面來完善：首先，確定實驗的開端和起點；其次，以不同的材料進行實驗，例如普通的線性單擺、新線性單擺、新加速度單擺等；最后，實驗結(jié)束之后要回顧實驗結(jié)論，以及可能存在的偏差，以便更準確地測定出重力加速度的值。
在實驗結(jié)果準確性方面，可以通過計算機模擬實驗的方法來確保結(jié)果的準確性。如果學生收集的實驗數(shù)據(jù)可以通過計算機模擬，可以在明確的原理框架下來驗證，提高實驗結(jié)果的準確性，進而更好地理解單擺測定重力加速度的原理。
總之，單擺在物理學教學中非常重要，它可以幫助學生更加深入地理解物體運動的規(guī)律，也可以幫助學生探究角加速度以及重力加速度的概念，同時可以增強測量技能。但是在實現(xiàn)這一目標時，要注意實驗設計上的一些細節(jié)，尤其是要加強實驗環(huán)節(jié)，而不是理論知識，同時要利用計算機模擬技術(shù)來驗證實驗結(jié)果的準確性，以實現(xiàn)單擺測定重力加速度的最佳效果。

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