高中物理实验教学实践

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中提出：物理学基于观察与实验，建构物理模型、应用数学等工具，通过科学对立和论证，形成系统的研究方法和理论体系。培养学生基于观察和实验提出物理问题，形成猜想和假设，设计实验与制定方案，获取和处理信息，基于实验证据得出结论并做出解释的能力，是现阶段高中物理实验教学的重点。

一、教材分析

“简谐运动”属于人教版物理选择性必修第一册第二章“机械运动”的内容，可大致分为弹簧振子、弹簧振子的位移—时间图像、简谐运动三部分内容。教材列举多个实例，引导学生从运动学的角度认识弹簧振子，通过实验得出弹簧振子的位移—时间图像，再通过数据分析发现弹簧振子的位移—时间图像是正弦曲线。基于此组织实验教学活动，可促使学生基于已有的知识对比与迁移，掌握“从简单入手”“理想模型”的科学研究方法，形成并提高科学探究与实践能力。

二、学情分析

在之前的学习中，学生已经学习了匀变速直线运动、运动和力的关系、运动的合成与分解、动量守恒定律等物理知识，参与了“探究小车速度随时间变化的规律”“匀变速直线运动的位移与时间的关系”“探究平抛运动的特点”“验证动量守恒定律”等实验，掌握了运动学的基本知识及探究物理原理的基本技能。此外，高二学生通过数学学习基本掌握了三角函数的相关内容，具备用函数公式、图像抽象物理模型的潜力。

三、目标设计

物理观念：形成对弹簧振子的基本认识。

科学思维：通过实验观察与分析，理解弹簧振子的位移—时间图像是一条正弦曲线。

科学探究：经历完整的实验探究过程，掌握图像法、位移—时间图像获得法等科学探究的常用方法，掌握简谐运动的特征。

科学态度与价值观：通过认识弹簧振子，参与简谐运动实验，形成重事实、讲逻辑的科学探究精神。

四、重难点设计

重点：简谐运动的概念、弹簧振子的位移—时间图像。

难点：弹簧振子的位移概念，设计实验方案确定弹簧振子在各个不同时刻的位移，论证弹簧振子的振动图像是一条正弦曲线的思路和方法。

五、教学流程设计

（一）新课导入

应用对话法、演示法创设情境，引出“简谐运动”实验教学主题，激发学生探究兴趣。

师：如图1所示，使悬挂的铁球、气垫导轨上的滑块、钟摆内的钟摆运动起来，它们的运动情况是怎样的？

生：铁球与钟摆左右摆动，滑块在气垫导轨上循环往复地左右滑动。

师：像这样，物体（或物体的某一部分）在某一位置两侧做往复运动，被称为机械振动，这个“位置”被称为平衡位置。如取一根轻弹簧和小球就能组成一个简单的振动系统（见图2）。注意观察，当小球处于平衡状态时，它所处的位置就是平衡位置。将小球向外拉一段距离后放手，小球围绕平衡位置左右水平移动，小球所做的往复运动就是机械振动。忽略这个振动系统的空气阻力、小球质量，可以将这个系统视作弹簧振子，系统中的小球被称为振子。

（设计意图：由生活中常见的物理现象引出“机械振动”这一概念，帮助学生建立物理学与现实生活的关联。在此基础上，借助简单的实验装置进行演示，指导学生在直观观察的过程中增强学习感悟，为后续的实验探究做铺垫。）

（二）实验探究

【问题1】用一根轻弹簧、小球组成简单的振动系统，将小球沿弹簧轴线方向拉离平衡位置一小段距离，然后由静止释放，观察小球的运动情况，怎样记录并分析它的运动呢？

（学生以小组为单位，操作振动系统，观察弹簧振子的位移特点、振动特征等，并在合作讨论、交流时提出解决问题的方法。）

方法1：利用频闪照相记录下连续相等时间间隔内弹簧振子所在的不同位置（见图3）。

方法2：描图记录。由一名学生匀速拉动一张白纸，另一名学生沿与纸运动方向相垂直方向用笔往复画线段，观察得到运动图像（见图4）。

【问题2】用频闪照相、描图记录的方法得到了弹簧振子的运动图像，这个图像可能是什么有规律的曲线？

（通过提问使学生提出“弹簧振子运动图像符合正弦函数规律”的猜想，驱动学生以小组为单位合作探究。）

▲猜想

生1：验证这条曲线是否符合正弦函数规律，实质上是验证这条曲线上的各个点是否满足正弦函数。

生2：验证每一个点太困难了，能否只验证某几个特殊的点？

生3：正弦函数具有对称性，我们只研究周期。周期以内比较熟悉的特殊点，如等，如果在正弦曲线上的对应位移与实际位移相吻合，则证明我们所得到的运动图像是正弦函数。

▲设计表格及测量计算验证

▲结论：弹簧振子运动图像符合正弦函数规律。

（设计意图：通过问题激发学生的探究意识，使其主动参与弹簧振子运动图像的记录、分析过程。利用小组合作学习驱动学生主动发现问题、提出猜想、设计实验方案等，指导学生经历物理实验的全过程，并得到“简谐运动”的概念及特征。）

（三）练习巩固

第一，布置实验装置组装任务。要求学生如图5-1所示组装实验装置。其中，细线悬挂的漏斗可被视作单摆，漏斗可被视作摆球，使悬挂的漏斗在固定的平面内做小角度摆动，使其做简谐运动。

第二，布置观察任务。要求学生如图5-2所示，使漏斗在一个固定的竖直平面内摆动，沿垂直于该平面的OO′方向匀速拉动薄板，观察从摆动的漏斗中漏出的细沙在板上形成的曲线。

第三，布置解题任务。要求学生结合实验现象探究以下问题。

（1）摆动沙摆，保持木板静止，细沙的分布特点如何？中间的细沙多还是两边的细沙多？

（2）匀速拉动木板时，细沙落在木板上形成怎样的曲线？这曲线符合什么规律？怎样验证曲线规律？

（3）实验中，可以不匀速拉动木板吗？

（设计意图：引导学生结合物理、数学知识观察实验现象，学会以OO′表示时间轴，垂直于OO′的坐标x表示摆球在不同时刻相对于平衡位置的位移，获得沙摆做简谐运动时位移x随时间t变化的图像，巩固“简谐运动的图像都是正弦（或余弦）曲线”的实验学习成果。）

（四）总结升华

引导学生回顾实验教学习得的内容。

师：这节课围绕弹簧振子的运动展开，我们做了哪些实验，用了什么方法？

生：围绕弹簧振子的运动图像、弹簧振子运动图像的规律展开实验，应用了频闪照相描点法、描图记录法等。

师：你有哪些感悟？

生：遇到复杂物理问题时，可基于已有的知识方法类比、迁移，找到问题探究的切入点。物理实验要讲究大胆猜想、小心求证，需综合应用物理、数学等学科知识进行实验分析。

（设计意图：通过提问驱动学生回顾课上所学内容，一方面巩固学生关于简谐运动概念、实验教学内容的学习基础，另一方面强化学生的实验学习感知，使学生进一步体验和熟悉物理实验的常用方法和一般过程。）

六、作业设计

（一）书面作业设计

1.判断题：判断下列说法的正误。

（1）平衡位置即振子能静止的位置。

（2）简谐运动的运动轨迹是正弦（或余弦）曲线。

（3）简谐运动属于匀变速直线运动。

（4）只能用频闪照相机捕捉简谐运动物体的运动轨迹。

2.选择题。

（多选）下列关于理想弹簧振子的说法中，错误的有（）

A.随便选择弹簧、小球即可构成弹簧振子。

B.弹簧的弹性限度决定了弹簧振子中小球的振动范围。

C.弹簧振子中，不能忽略空气阻力。

D.弹簧振子中，小球一旦振动起来就不会停止。

3.分析题：如何判断一个物体的运动是否为简谐运动？与匀速运动相比，简谐运动的速度有什么不同特点？

（设计意图：加深学生对相关实验原理、操作教学内容的印象。）

（二）实验作业设计

用玻璃珠、弹簧等生活中常见的工具组装弹簧振子，用手机代替频闪照相机记录振子运动轨迹，绘制振子的时间—位移图像。

（设计意图：驱动学生独立设计实验方案，锻炼学生实验装置安装、实验操作、观察及图像捕捉能力等，进一步提高学生的物理实验水平。）

七、板书设计

（作者单位：甘肃省天水市张家川县第二高级中学）

编辑：常超波

作者简介：王升（1981—），男，汉族，甘肃天水人，本科，中学一级教师，研究方向：高中物理教育教学。