高中二年級上學(xué)期物理《實驗：用單擺測量重力加速度》教學(xué)設(shè)計

第2章第5節(jié)用單擺測量重力加速度教學(xué)設(shè)計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驗。教材按照實驗設(shè)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(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)計實驗裝置、選擇實驗器材?怎樣才能減小實驗誤差?”在學(xué)生思考和討論的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(shè)計上引導(dǎo)學(xué)生思考如何減小實驗誤差: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)分析時引導(dǎo)學(xué)生采用圖像法減小實驗誤差。本節(jié)教學(xué)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(xué)難點。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)處理來提高實驗精度方面存在不足。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驗數(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)會減小實驗誤差的方法。3.知道如何選擇實驗器材，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。重點學(xué)會用單擺測當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，學(xué)會減小實驗誤差的方法。難點學(xué)會用單擺測當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?，學(xué)會減小實驗誤差的方法。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，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：固定。細(xì)線：不可伸縮，質(zhì)量不計，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？單擺做簡諧運動時，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角度（＜5°）釋放，用秒表測量單擺的周期。思考：①怎樣才能減小測量L和T的誤差？②為了測量周期，擺球到達(dá)哪個位置的時刻作為計時開始與停止的時刻比較好？用秒表測量單擺完成30次全振動（或50次）所用的時間t，求出完成一次全振動所需要的時間，這個平均時間就是單擺的周期。應(yīng)以擺球經(jīng)平衡位置計時開始與停止時刻4、請簡述實驗步驟？（1）做單擺：讓細(xì)線的一端穿過擺球的小孔，然后打一個比孔大的線結(jié)，制成一個單擺.（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)平衡位置計時開始與停止時刻。（4）數(shù)據(jù)處理①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)：②圖像法：由得作出T2-l圖像，即以T2為縱軸,以l為橫軸.其斜率由圖像可計算出斜率，可求出重力加速度。（5）重復(fù)幾次實驗。5、分組完成實驗6、誤差分析1、本實驗系統(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、本實驗偶然誤差主要來自時間(即單擺周期)的測量上。因此要注意測準(zhǔn)時間(周期),要從擺球通過平衡位置開始計時,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。提高實驗精度從兩個方面入手：(1)盡可能準(zhǔn)確地測量出擺長和周期；(2)多次改變擺長,重做實驗得到多組數(shù)據(jù),并用圖像法處理數(shù)據(jù)。7、本實驗有哪些注意事項？①選擇材料時應(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)選用密度較大的金屬球，直徑應(yīng)較小，最好不超過2cm；②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，以免擺動時發(fā)生擺線下滑或懸點不固定，擺長改變的現(xiàn)象；③注意擺動時擺角不易過大，不能超過5o，以保證單擺做簡諧運動；④擺球擺動時，要使之保持在同一個豎直平面內(nèi)，不要形成圓錐擺；⑤測量從球通過平衡位置時開始計時，因為在此位置擺球速度最大，易于分辨小球過此位置的時刻。⑥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”實驗,他們依照教材實驗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:①如果甲同學(xué)以擺長(l)為橫坐標(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,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”)。②乙同學(xué)根據(jù)公式:,并計算重力加速度,若乙同學(xué)測擺長時,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)本實驗是利用單擺的周期公式T=2π得出g=,即只要測出擺長l和周期T就能求出當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣萭,而l=l0+,T=。顯然,本實驗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次全振動所用的時間t。其公式為g=。(2)①若依據(jù)測量數(shù)據(jù),作出T2-l圖像,其斜率為k=,而g=,故有g(shù)=。圖像函數(shù)式應(yīng)為T2=l,如果忘記d,則函數(shù)式寫為T2=·(l-),顯然圖像的斜率不變,所以加速度的測量值不變。②若根據(jù)公式T=2π,得g=,并計算重力加速度,如果忘記d,測量公式寫為g=,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)描點法畫出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==9.86m/s2。答案:(1)擺線長l0擺球直徑dn次全振動的時間tg=(2)①準(zhǔn)確②偏小(3)T2-l圖像見解析9.86m/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，梳理實驗操作步驟。學(xué)生結(jié)合討論內(nèi)容，分組完成實驗，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)誤差。結(jié)合實驗操作過程，總結(jié)實驗中的注意事項。完成課堂練習(xí)。思考單擺的定義，讓學(xué)生明確在現(xiàn)實生活中如何得到單擺模型，為下一步完成實驗操作打下基礎(chǔ)。通過小組討論，讓學(xué)生掌握測量方法，明確實驗過程中的注意事項。提高實驗的準(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。