高中物理选修3-4机械振动-机械波教材分析

第一章机械振动第二章机械波教材分析教科版选修3-4教科版与旧教材的比较旧人教版新教科版•第九章机械振动•一、简谐运动•二、振幅周期和频率•三、简谐运动的图像•四、单摆•五、简谐运动的能量阻尼振动•六、受迫振动共振•第十章机械波•1．波的形成和传播•2．波的图像•3．波长、频率和波速*4．波的反射和折射•5.波的衍射•6.波的干涉*7.驻波•8.多普勒效应•9.超声波和次声波第一章机械振动1．简谐运动2．单摆3．简谐运动的图像和公式4．阻尼振动受迫振动5．学生实验：用单摆测定重力加速度•第二章机械波1．机械波的形成和传播2．波速与波长、频率的关系3．波的图像4．惠更斯原理波的反射与折射5.波的干涉、衍射6.多普勒效应教科版——新旧教材的比旧教材（2008）新教材（2011）第一章机械振动1．简谐运动2．单摆3．简谐运动的图像和公式4．阻尼振动受迫振动5．学生实验：用单摆测定重力加速度第二章机械波1．机械波的形成和传播2．波速与波长、频率的关系3．波的图像4．惠更斯原理波的反射与折射5.波的干涉、衍射6.多普勒效应第一章机械振动1．简谐运动2．单摆3．简谐运动的图像和公式4．阻尼振动受迫振动5．实验探究：用单摆测定重力加速度第二章机械波1．机械波的形成和传播2．横波的图像3．波的频率和波速4．惠更斯原理波的反射和折射5.波的干涉、衍射6.多普勒效应两种版本的比较人教版2010教科版2011第十一章机械振动1．简谐运动2．简谐运动的描述3．简谐运动的回复力和能量4．单摆5．外力作用下的振动第十二章机械波1．波的形成和传播2．波的图像3．波长、频率和波速4．波的衍射和干涉5.多普勒效应6.惠更斯原理第一章机械振动1．简谐运动2．单摆3．简谐运动的图像和公式4．阻尼振动受迫振动5．学生实验：用单摆测定重力加速度第二章机械波1．机械波的形成和传播2．波速与波长、频率的关系3．波的图像4．惠更斯原理波的反射与折射5.波的干涉、衍射6.多普勒效应两种教材简谐运动的定义不同•如果质点的位移与时间的关系遵从正弦函数的规律，即它的振动图象(x-t图象)是一条正弦曲线，这样的振动叫做简谐运动。（人教版）这是运动学的定义，它告诉我们：什么样的运动是简谐运动。•如果质点所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成正比，并且总是指向平衡位置，质点的运动就是简谐运动。（教科版，与老教材同）这是动力学的定义，它告诉我们：在什么力的作用下物体做简谐运动。*由一种图像可推出另一种图像振动是波的根源机械振动A、T、f共振简谐波的图像某时刻各个质点的位移（正弦曲线）介质中质点都做振动简谐运动1.受力特征：F=-kx2.机械能守恒3.典型模型（1）弹簧振子（2）单摆阻尼振动受迫振动简谐运动的图像某一质点在各个时刻的位移（正弦曲线）公式机械波λ、f、v波的干涉形成与特征简谐波传播规律波的衍射机械振动、机械波知识结构网络课程标准的要求机械振动（1）通过观察和分析，理解简谐运动的特征。能用公式和图像描述简谐运动的特征。（2）通过实验，探究单摆的周期与摆长的关系。（3）知道单摆周期与摆长、重力加速度的关系。会用单摆测定重力加速度。（4）通过实验，认识受迫振动的特点。了解产生共振的条件以及在技术上的应用。课程标准的要求机械波（5）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。能用图像描述横波。理解波速、波长和频率（周期）的关系。（6）了解惠更斯原理，能用其分析波的反射和折射。（7）通过实验，认识波的干涉现象、衍射现象。（8）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。内容要求29简谐运动、简谐振动的振幅、周期和频率。简谐运动的公式和图像，振动中的能量转换Π30单摆，周期公式Π31受迫振动，共振及其常见的应用Ι32机械波，横波和纵波Ι33横波的图像。波速、波长和频率（周期）的关系Π34波的叠加，波的干涉、衍射现象Ι35多普勒效应及其应用Ι2012北京市考试说明要求教学中的作用和地位1.机械振动是质点的一种运动形式，与前面所学的直线运动、平抛运动、圆周运动等运动形式之间的区别在于质点的加速度有其特有的变化规律。通过本章的学习可以对质点运动的形式有更全面的认识，进一步加深对牛顿定律以及机械能的理解。2.光也一种波，机械振动与机械波相关知识也是学习光波的基础。3.科学思想方法本章的物理思想方法1、理想模型的方法2、应用图象探索和表述物理规律。3、应用数学方法研究物理规律4、实验探究方法5、累积法两章整体教学建议•做好实验，通过观察实践增加感性知识，为深入理解打下良好的基础。•利用好视频、课件等多种资源，激发学生兴趣，促进学生对相关知识的理解•加强过程分析，帮助学生清楚理解相关过程•抓好典型问题，落好基础知识、基本技能和基本方法,•循序渐进着力思维方法的培养，提升学生分析、判断、综合能力•重点：简谐运动的特征分析简谐运动的图像的理解实验：用单摆测重力加速度•难点：简谐运动的特征分析简谐运动的图像的理解简谐运动的表达式及相位的理解第一章机械振动教学重点与难点课时建议（8课时）1简谐运动2课时2单摆1课时3简谐运动的图像和公式（加习题课）2课时4阻尼振动受迫振动1课时5学生实验：用单摆测定重力加速度1课时6单元测试1课时1.机械振动概念的建立：【视频、演示实验】第一节简谐运动教学建议a、一端固定的钢尺；b、单摆；c、水平弹簧振子；d、竖直弹簧振子；e、穿在橡皮绳上的塑料球。（1）平衡位置--原来静止时的位置（对称性）（2）运动具有往复性（周期性）1.机械振动概念的建立：机械振动：物体在平衡位置附近的往复运动。让学生以振动的共同特征为线索去寻找生活中的实例水上浮标的浮动刮风时门窗的振动机器开动时机座的振动地震时地壳的振动钟摆的摆动……引导学生从各种复杂的振动中,找出最简单、最特殊的简谐振动进行研究。第一节简谐运动2.弹簧振子的模型实际模型（阻力）小球的质量远远大于轻质弹簧的质量小球在运动情况可视为质点振动过程中受到的阻力比较小理想化模型(没有阻力)①弹簧——没有质量②小球——可视为质点③振动过程——不受阻力第一节简谐运动3.振动位移概念的引入（难点）振动位移x：振动物体相对于平衡位置的位移。（规定振动位移的起点是平衡位置，与直线运动中质点位移的区别）大小：等于物体距平衡位置的距离方向：由平衡位置指向物体所在处第一节简谐运动第一节简谐运动4.回复力的大小和方向—回复力的大小：F=kx（胡克定律）—回复力的方向：总是指向平衡位置、与振动位移的方向始终相反—根据力的作用效果命名的—一个振动的形成要有回复力，还要阻力足够小。5.简谐运动的定义如果质点所受的力与它偏离平衡位置位移的大小成正比，并且总是指向平衡位置，质点的运动就是简谐运动。请你证明！做一做第一节简谐运动做一做第一节简谐运动如图所示，一个质量为m的小球在光滑的折面AOB上做往复运动（小球在O点无能损失）。试判断小球的运动是否为简谐运动。如图所示弹簧振子以O为平衡位置在B、C间做振动，则(C)A．从B→O→C为一次全振动B．从O→B→O→C为一次全振动C．从C→O→B→O→C为一次全振动D．从D→C→D→O→B为一次全振动扩展：如果振子在D点开始计时，经过1/4周期、半周期和3/4周期时在什么位置？第一节简谐运动6.振幅、周期和频率—理解全振动的概念—振子完成一次全振动发生的位移是多少？经过的路程是多少？第一节简谐运动6.振幅、周期和频率•振幅–观察两个振幅弹簧振子（周期和频率相同），观察它们之间的区别，引出振幅的概念，并提出其物理意义。•周期和频率–根据简谐运动的特点，引出周期和频率的概念，可以结合单位圆的知识帮助学生理解周期和频率的物理意义。–将振动快慢和质点的运动快慢进行对比，加深对周期和频率的理解。A→OOO→BBB→OOO→A位移x大小增大最大减小0增大最大减小方向负正正正负回复力F大小减小0增大最大减小0增大方向正负负负正加速度a大小减小0增大最大减小0增大方向正负负负正速度v大小增大最大减小0增大最大减小方向正正正负负负动能增大最大减小0增大最大减小弹性势能增大最大减小0增大最大减小机械能不变不变不变不变不变不变不变7.简谐运动特征分析P5页图OAB规定向右为正方向引导学生归纳出简谐运动过程中各物理量变化的规律需要解决的问题•单摆的概念•单摆做简谐运动的条件•单摆的周期公式（探究）•会用单摆测定重力加速度第二节单摆理想化模型方法实际摆→单摆→简谐运动1.单摆的概念–单摆的摆动平面–单摆的摆长•长度一定（悬挂方法）•远远大于摆球直径（摆球可以看成质点）–单摆的质量•摆球的质量大•摆线的质量小第二节单摆2.单摆振动中的回复力–单摆做简谐运动的回复力应该说是重力的分力还是重力与绳的拉力的合力？–一般来讲，说到一个物体受到的力与它的运动的关系时，这个力应该指合力。在单摆的问题里，重力与绳的拉力的合力并不沿圆弧的切线方向，而是偏向圆弧的内部，合力的一个作用效果是使摆球的线速度发生改变，另一个效果是使摆球的运动方向改变，即沿圆弧运动。–教科书研究的是偏角θ很小时单摆的运动，这时可以不再区分摆线运动的弧与它所对的弦；而要研究摆球沿圆弧的运动，只考虑沿圆弧切线方向的力就可以了。因此，历年的教科书在研究单摆小球的简谐运动时，都只分析重力在切线方向的分力。第二节单摆kxFlmgk回，则令/3、单摆做简谐运动的条件：当偏角θ较小时，xlmglxmgmgmgFsin回即单摆做简谐振动。GTθG1θG2O第二节单摆可以组织学生推导小角度摆动的单摆回复力与位移的关系。第二节单摆4.单摆的周期公式【问题】让学生猜想决定单摆振动的周期的因素有哪些?学生：A（θ）、m、L、g（需要引导）如何研究？——控制变量法改变因素控制因素实验研究ALmg对比实验mLgA对比实验gLAmLgAm学生实验与振幅无关与摆球质量无关与重力加速度有关g大T小教师利用演示实验，定性地分析影响单摆振动周期的因素，再组织学生定量地探究周期与摆长的关系4.单摆的周期公式第二节单摆学生实验的指导•秒表的读数•单摆的组装（仪器的选择）•摆长的测量（粗测）•周期的测量（累积法）•计时起点•《探究单摆测周期计时最佳位置》（物理教师，2011年第1期）•摆角的控制摆长L=L0+R摆线长L0第二节单摆【问题讨论】单摆振动中的“小角度摆动的要求”–摆角越小，单摆的运动越接近简谐运动”–教材P8发展空间：最大摆角为20°时误差0.77%；最大摆角为15°时误差0.43%；最大摆角为10°时误差0.19%；最大摆角为5°时误差0.05%，因此“单摆振动中摆角小于5°要求在高中阶段是没有必要的。–实验的准确和规范很重要，而对实验的理解和创新更为重要。第二节单摆30次全振动时间t/s45.347.150.753.455.958.7摆长L/m0.5650.6100.7050.7850.8600.950周期T=t/n1.5101.5701.6901.7801.8631.957T/L2.6732.5742.3972.2682.1672.060T22.2802.4652.8563.1683.4723.829T2/L4.0364.0414.0514.0364.0374.030培养学生分析处理数据的能力（如何探究变量间的函数关系，如何将非线性关系转化为线性关系，利用计算机处理数据效果更好）LTLT或结论：2第二节单摆可设计一个单摆摆长约为1m(秒摆），另一摆长为0.25m。4.单摆的周期公式gLT2第二节单摆科学方法——在惠更斯年代，周期公式不是推导出来的，也不是单纯实验数据的归纳，但实验的启示十分重要。5.单摆的应用——用单摆测量重力加速度•练习利用图象处理实验数据的方法。•学生完成实验报告第二节单摆图表标题22.22.42.62.833.23.43.63.840.50.550.60.650.70.750.80.850.90.951LT2224TLgkggk2244几种常见的摆圆槽摆钉摆圆锥摆需要解决的问题•简谐运动位