专题讲座高中物理“机械波”教学研究

专题讲座高中物理“机械波”教学研究俞家新（清华附中，中学高级）第一部分本主题学科知识的深层次理解一、本主题内容的知识结构二、本主题的知识在整个高中物理教学中的地位及相互关系本主题是“机械振动”主题内容的延伸和扩展。机械振动讨论的是质点，只讨论物体的运动状态随时间的变化，而波动讨论的是振动在空间中的传播。需着重介绍有关波的共性的知识，如波的形成和传播、波长、频率、波速、波传播的规律、波的图象、波的反射和折射、波的干涉、衍射、多普勒效应等。这些内容是以后学习光波和电磁波、概率波的重要知识基础。三、从三个维度认识教学内容1．从知识与技能层面来看（1）从概念方面来看本主题主要是帮助学生认识机械波，掌握描述机械波的波长、频率（周期）、波速等基本物理量，以及理解和解释干涉、衍射、反射、折射、多普勒效应等自然现象。（2）从规律方面来看本主题主要是掌握机械波中波长、频率（周期）、波速的关系。2．从过程与方法层面来看本主题主要通过实验演示、观察、分析，培养学生进行科学探索的能力。从而培养学生的空间想象能力和思维能力。通过观察、描点、画波形等过程，突出以图像反映物理学变化规律的方法，感受学习波的基本方法。（1）通过观察，认识波是振动传播的形式和能量传播的形式。能区别横波和纵波。能用图象描述横波，突出以图像反映物理学变化规律的方法和类比研究方法。（2）了解惠更斯原理，能用其分析波的反射和折射。（3）通过实验，认识波的干涉现象、衍射现象。（4）通过实验感受多普勒效应。解释多普勒效应产生的原因。3．从情感、态度和价值观层面来看（1）通过观察波的形成过程，体验科学美感，陶冶学生的审美情操。体验大自然各种波动的自然美感。（2）波动现象非常广泛，可联系学生的生活实际和现代科技，有助于学生对科学、技术和生活实际的联系，增加学生的科技意识和联系实际的能力，体会科学知识的应用价值，在知识的应用中培养实事求是的科学态度和学科学、用科学、爱科学的情感。四、本主题内容在整个高中物理学科能力方面的地位价值1．从学科能力方面（1）理想模型的建立把机械波看做由许多有相互作用的质点所组成。（2）空间想象力它需要学生想象多个质点同时又不同步的运动，而有些质点的运动情况完全相同，而有些质点运动情况又完全不相同。（3）图象语言的使用振动图象——波动图象2．分析、解决问题的习惯与能力识图、画图、用图在研究机械波中的应用。第二部分本主题的教学策略一、本主题的重点难点及课标对本主题教学要求（一）“机械波”的课标要求1．通过观察，认识波是振动传播的形式和能量传播的形式。能区别横波和纵波。能用图象描述横波。理解波速、波长和频率（周期）的关系。2．了解惠更斯原理，能用其分析波的反射和折射。3．通过实验，认识波的干涉现象、衍射现象。4．通过实验感受多普勒效应。解释多普勒效应产生的原因。列举多普勒效应的应用实例。（二）本主题的重点与难点1．教学重点：机械波、横波、纵波、波长、频率（周期）、波速等物理概念及其建立的过程和方法。波长、频率（周期）、波速的关系式推导过程。波的图象，干涉现象和衍射现象等。这其中既有概念规律现象的问题，也有方法性的问题，如模型法、图象法等2．教学难点：波的概念的建立。（因为学生看不到“质点”的具体振动过程）波动图象和振动图象的区别与联系。波动问题的多解性。应用惠更斯原理分析波的反射和折射。多普勒效应产生的原因。（三）“机械波”各部分具体教学要求1．波的形成和传播教学目标（1）通过实例，知道机械波的形成过程和产生条件。（2）通过观察，认识波是振动传播的形式和能量传播的形式。（3）知道什么是横波，知道波峰和波谷；知道什么是纵波，知道疏部和密部。能区别横波和纵波。2．波的图象教学目标（1）能够用描点的方法作出波的图象，知道波的图象的物理意义。（2）知道什么是简谐波，能运用简谐横波（正弦波）的图象描述横波，解决简单的实际问题。（3）通过对波的图象和振动图象的比较，知道波的图象与质点振动图象的区别。（不要求讨论纵波的波形图。）3．波长、频率和波速教学目标：（1）知道什么是波长、频率和波速。（2）理解波长、频率和波速之间的关系，并会应用这一关系式进行计算和分析问题。（3）了解决定波长、频率和波速的因素。4．惠更斯原理教学目标（1）了解什么是波面和波线，了解惠更斯原理。（2）认识波的反射现象，并能用惠更斯原理进行解释。（3）认识波的折射现象，并能用惠更斯原理进行解释。5．波的干涉和衍射教学目标（1）知道波的叠加原理。（2）通过实验，认识波的干涉现象和波的干涉图样。知道产生稳定干涉现象的条件。（3）知道干涉是波特有的现象。（4）通过实验，认识波的衍射现象，知道波发生明显衍射现象的条件。（5）知道衍射是波特有的现象。6．多普勒效应教学目标（1）通过实验感受多普勒效应。（2）解释多普勒效应产生的原因。（3）通过列举多普勒效应的应用实例，了解多普勒效应的应用。二、本主题的教学策略（一）关于“机械波的形成和传播”波的概念的建立，对学生来说是困难的，因为他们看不到“质点”的具体振动过程。教学实践表明，若初始概念不够清晰，在以后解答有关问题时，单凭逻辑推理或数学推导，要得到准确而明晰的结果，就比较困难，在运用波的概念分析问题时（如分析波的干涉）也容易出现错误。创设问题情景，做好演示实验，让学生对波有较为充分的感性和理性认识：波动是自然界的一种普遍而重要的运动形式，各质点都在原位置做振动，并不前进，所以传播的只是振动形式。（1）让学生观看一些事先拍成录相的演示实验现象课件（如水波、随风飘的旗、奥运会开幕式文艺表演《文字》、绳波和电磁波等波动情景），让学生观看后对波有个初步印象。并提出问题：波是如何形成的？波在传播过程中有哪些规律和特点？（2）利用“绳波”（或其他波动演示装置）指导学生理解横波的形成与传播规律和特点。以绳波为例，分析机械振动如何才能形成机械波以及获得机械波在传播过程中的特点规律。演示后引导学生可把绳子看作由许许多多个质点组成的，各个质点间存在有相互的作用力（教学要求上要突出该思想方法）。并回答：各个质点的振动彼此间有何规律？（振动依次滞后）每一个质点刚开始振动的方向是否相同？（相同）质点的振动如何才能形成波？波源完成一次全振动，波传播的距离在波形上如何体现？波动方向与质点振动方向有何关系？（教师提问，学生回答）在波传播过程中，质点是否“随波逐流？”在波动过程中，往外传播的是什么？（3）教学过程设计引导学生积极参与：让学生主动参与模拟机械波的形成与传播，体验感悟机械波。（4）掌握了横波的形成与传播规律和特点后，接下来通过观看纵波的传播过程（可结合纵波演示器再次演示），让学生了解纵波与横波的区别。并知道机械波可分为横波与纵波两种类型以及波峰和波谷、密部和疏部概念。（5）在坐标纸上由学生自己绘制横波的形成，建立起机械波的空间动态情景。（6）明确振动与波动的区别与联系（二）关于“波的图象”从振动图象到波的图象，由原先的对单个质点的研究到对大量的质点的研究，对学生来说是一个认识能力上的提高。有了对波动图象的比较清楚的认识，学生才会更好地理解描述波动时引入新的物理量——波长、波速和周期的必要性。因此，波的图象在本主题中具有承上启下的作用，同时也是本主题教学的重点和难点。（1）在前一节课的基础上，通过对绳波的形成过程示意图中几个时刻介质中各个质点位置的确定，并用平滑曲线去拟合，指出所得曲线与实际横波形状的相似，顺利提出波的图象，也有利于理解图象的物理意义。（2）已知波的图象和传播方向来判断质点的振动方向，这是本节的另一个重点内容，通过一个小的模拟实验，让学生观察、分析、小组讨论，由学生提出由波的图象和传播方向来判断质点的振动方向的方法，使学生更有成就感。（3）振动图象和波的图象的区别是一个难点，在处理时可首先是问题暴露，激起学生认知的冲突，然后再通过体验、列表对比分析，让学生加上对问题的认识。（三）关于“波长、频率和波速”波长、频率和波速是描述波的特性的物理量，要让学生切实地理解它们。在学生认识三者的关系后，应进一步加深对波动图象的认识。本节后，学生应该能够从波动图象中获取相关信息，对有关问题进行讨论或计算，从而让学生进一步理解本主题前三节的知识。1．教学中通过波动箱模拟演示波源振动一个周期形成的波形，并结合多媒体动画课件来帮助学生认识波长。从波的图象及多媒体课件让学生更直观地看到：横波中，两个相邻波峰或两个相邻波谷的相位相同；关于波长还有几种正确说法：(1)在横波中，两个相邻波峰(或波谷)之间的距离等于波长；(2)在纵波中，两个相邻密部(或疏部)之间的距离等于波长；(3)经过一个周期T，振动在介质中传播的距离等于一个波长。2．波长、频率和波速的关系十分有用，要求学生掌握。除了记住公式外，可以让学生弄清这样两点：波源每做一次全振动，它就向外传出一个波长的波；每经过一个周期，波就向前传播一个波长的距离。在教学中注意让学生清楚波的三要素是由什么决定。3．在习题中可适当处理机械波中常见的多解性问题（可结合动画演示），但不宜过深。（四）关于“惠更斯原理”学生在初中已学过光的反射、折射等的初步知识，在此基础上用惠更斯原理进行解释，可进一步加深对波的特性的理解。1．惠更斯原理要求学生有较强的理解想象能力，教师要借助画图、多媒体教学，帮助学生加深印象。所以在讲波线、波面、波前这些基本概念时不要用ppt，而是在黑板上边画边讲，学生听得清楚明白，也容易理解，否则听不明白记不住。2．对于惠更斯原理应该要求到什么程度？课程标准要求“了解惠更斯原理，能用其分析反射和折射”，要求不高，学生理解原理即可，不用深抠。用它来分析反射和折射，一种做法是定性分析，另一种做法是定量分析。对于反射定律，可做定量分析，即从惠更斯原理出发导出了反射定律；对于折射定律，可只给出思路，而不进行推导。实际教学中，教师应该根据学生的基础和课时来决定教学方法，即使是反射定律，也可以只讲思路，不在课堂上做平面几何的推证。3．惠更斯原理具有一定的独立性，它对后续的高中学习没有很大的影响。但对于后续学习普物还是很重要的，因此可能成为命题者（大学教师）的兴奋点。（五）关于“波的干涉和衍射”波的干涉和波的衍射是波动所特有的现象，也是学生后面学习光的干涉和衍射的基础。对于干涉和衍射现象的学习能加深对波动本质的认识。学生往往感到这部分内容比较抽象、复杂、不易掌握。对干涉和衍射不要从理论上进行讨论，应从实验的角度加强感知。教学中要注意掌握教学要求，避免增加难度。下面结合一个教学案例来说明。1．波的干涉教学设计对波的干涉的讨论可分三个层次进行展开教学(1)通过对实际问题及实验现象的观察定性说明了波的独立传播特性。(2)运用矢量叠加原理分析两列波叠加的情形,得出叠加原理。(3)观察波的干涉实验运用波的独立传播特性和波的叠加原理分析干涉现象,得出两列波发生干涉条件和干涉图样的特点。第(1)(2)两个层次的内容是学习第三个层次内容的辅助知识,不是教学的重点,第三个层次的知识是本节课学习的重点。因为波的干涉图样是一种动态的稳定,稳中有动的现象,这对学生的思维能力及空间想象能力要求较高，因而是教学的重点。2．教学过程环节1．新课引入，激发学习兴趣向同学们展示我国古代的发明之一——鱼洗盆喷水的现象，并请大家说说鱼洗盆的设计可能包含哪些原理。一方面可激发大家强烈的学习兴趣，另外让大家对我国古代人民在振动与波方面的造诣有所了解，激起民族自豪感。环节2．波的叠加原理两个相同运动的球，相遇后结果如何？（分别弹回）两个波相遇后结果又如何呢？［演示实验］发波水槽，先请同学注意观察两个水波相遇时波峰的变化情况（产生了一个更大的波峰），再请同学注意观察两波相遇后的情况（两波保持原来状态各自继续向前传播，就像未曾相遇过一样）。这一演示实验真实、直观、现象明显，可以让同学对两峰叠加时波峰明显增大留下深刻印象。但水波的叠加过程非常快，不便对照讲解，也不能定量地看到叠加过程中每一质点的位移与原来两峰引起位移间的关系，这就需要借助多媒体课件模拟这一叠加过程。[多媒体演示]a．暂停在波峰与波峰相遇