第四章 机械振动

第四章 C 机械振动

一、教学任务分析

机械振动是继匀速圆周运动后学习的另一种研究较为复杂的周期性运动。学习机械振动

既是对周期性运动共性认识的完善，也为以后学习机械振动、交流电、电磁波等知识奠定基础。

学习机械振动需要以匀速直线运动、牛顿运动定律等知识为基础。

从观察生活与实验中机械振动现象入手，使学生归纳知道机械振动的一般特征。

通过引导学生分析“弹簧振子”运动过程中的受力情况及运动情况，使学生知道机械振

动的受力条件，认识简谐运动中各物理量的变化规律。

在引入“弹簧振子”的过程中，使学生体验“理想模型”方法，在分析弹簧振子运动情

况的过程中感受“归纳推理”，在研究弹簧振子位移时间图像和音叉振动及迭加的过程中感受“实验探究”的方法，培养学生的观察分析、比较判断、推理归纳等能力。

二、教学目标

1．知识与技能

（1）知道机械振动。

（2）理解简谐运动回复力的特征。

（3）理解简谐运动回复力、加速度、速度随偏离平衡位置位移变化的定性规律。

（4）初步学会由现象的观察、概括、比较、分析与归纳，得出相应的物理规律。

2．过程与方法

（1）通过研究弹簧振子振动、音叉振动及迭加，感受“从简单入手、逐步深入”的科学研究方法。

（2）通过弹簧振子的建模过程，认识“理想模型”的研究方法。

3．情感、态度价值观

（1）通过观察生活事例，了解实际应用，体验乐于科学探究的情感。

（2）通过探究简谐运动的规律，感悟实是求实的科学态度和严谨认真的科学作风。

三、教学重点与难点

重点：简谐运动的受力特点及其运动规律。

难点：一次全振动中回复力、加速度、速度的变化及相互关系。

四、教学资源

1．物理实验

（1）演示实验：

①研究简谐运动规律：竖直弹簧振子、运动传感器、力传感器、数据采集器、计算机。

②振动的对比和迭加：频率不同的音叉、两块玻璃板、计算机和声音分析软件。

（2）学生小实验：锯条、单摆、橡皮筋、乒乓球。气垫导轨上的弹簧振子。

2.信息化平台：

（1）多人一机的网络教室，文件管理展示平台（172.16.2.10/中文/学科教学/@elearning学习平台）。

（2）网上交互课件：研究弹簧振子位移、回复力、速度变化的flash课件。

五、教学设计思路

本设计包括机械振动一般特点、简谐运动、振动图像三部分内容。

本设计的基本思路是：从生活现象观察和学生实验入手，在引导学生归纳概括机械振动的一般特征和所需条件的基础上，以弹簧振子为研究对象，通过分析讨论，得出简谐运动的受力特点和运动规律，再应用DIS实验得出简谐运动的振动图像。

本设计要突出的重点是：简谐运动的受力特点及其运动规律。方法是：通过引导学生观察弹簧振子的运动与弹簧形变的关系，应用动力学知识进行分析讨论。

本设计要突破的难点是：。方法是：以弹簧振子的运动为例，通过DIS实验和演示研究弹簧振子位移、回复力、速度变化的flash课件，展示一次全振动中回复力、加速度、速度的变化及相互关系，再通过音叉振动及迭加实验的研究进行强化与拓展。

本设计强调问题讨论、网络课件交互、交流讨论、DIS实验研究、教师指导等多种教学策略的应用，强调通过学生主动参与，培养其分析推理、比较判断、归纳概括的能力，使之感受“理想模型”、“实验探究”、“归纳推理”等科学方法；感悟简谐运动的学习价值和意义的，提高探究学习的兴趣。

完成本设计的内容约需2课时。

六、教学流程

2．流程图说明

情景观察实践

学生观察生活中各种机械振动事例的视频，并利用锯条、单摆、穿过橡皮筋的乒乓球动手实践，自主演示与视频中运动事例相类似的运动。

活动I 演示1

演示气垫导轨上弹簧滑块的在充气前和充气后的往复运动，进行对比。

活动II 课件交互

在网络教室中，学生分组操作水平弹簧振子往复运动的flash课件，分析讨论在一次全振动中弹簧振子的位移变化、受力情况、变速情况，边在表格中填写讨论结果，回答关于水平弹簧振子回复力特征的问题。分组交互任务完成后，利用网络将探究结果进行提交，以便进行全班交流。

活动III DIS实验1

用力传感器测竖直弹簧振子的回复力，用位移传感器测位移，从实验中得出竖直弹簧振子的回复力特征和位移时间图像。

设问：根据对水平弹簧振子与竖直弹簧振子的研究，它们的受力和运动有哪些特征？

活动III DIS实验2

是利用声音捕获软件进行实验。包括测音叉振动图像、乐音振动图像，及进行音叉振动迭加乐音振动的实验等。

活动V 模板总结

是关于机械振动、简谐运动知识结构的校园网模板，老师事先在这个模板上为学生搭好一个大的框架，学生学完本节课全部内容后，分组在这个模板上进行归纳总结，自主形成关于本节课的知识结构并上传，供全班交流与点评。

3．教学的主要环节本设计可分为三个主要的教学环节。

第一环节，通过现象观察与实践体验，归纳得出机械振动的一般概念。

第二环节，通过弹簧振子的模型建立和DIS实验研究，认识简谐运动的特征与规律。

第三环节，通过音叉振动及迭加的研究，深化对简谐运动的理解。

七、教案示例

（一）引入:

1、提问讨论。

前面我们研究了哪些运动？这些运动各有什么特征？需要什么条件？

2、导入新课。

今天，我们来研究一种新的运动，第六章机械振动、A节简谐运动。

（二）认识机械振动

1、观察现象，形成表象。

让学生带着问题观看一段录像,并用桌上器材演示几个类似的运动现象.

2、思考讨论，归纳概念。

思考讨论“这些运动有哪些共同点？物体为什么会做这样的运动？”归纳机械振动的概念及原因。

3、讨论想象，认识条件。

让学生想象外力如何控制物体做机械振动的，外力应该有哪些特点。并在交流平台上发言。

从讨论发言中归纳得出机械振动的受力条件。

4、分析讨论，重构位移。

[演示] 小球在斜面间往返位移S变化的动画。

沿用运动学的定义，用起点指向终点的位移S来表示物体的位置及其变化，则当小球从一侧到另一侧时，S的大小方向将发生复杂的变化。

[演示] 小球在斜面间往返，离开平衡位置位移X的变化。

由此约定，研究机械振动，如果没有别的说明，都以平衡位置作起点的位移表示物体经过的位置，称之为离开平衡位置的位移，用X表示。

（三）探究简谐运动

1、自主探究水平弹簧振子的运动

[播放视频] 水平弹簧振子及其运动。

[学生] 分组操作水平弹簧振子运动的网络课件，定性研究弹簧振子一次全振动的位移X、回复力F、加速度a和速度v的变化情况并在网络上提交研究结果。

[交流] 随机展开几组学生在网络上提交的研究结果，让学生面向全班交流探究得到的结果。

2、实验研究竖直弹簧振子的运动

（1）装置介绍（略）。

（2）原理讲解。

[演示]力传感器测竖直弹簧振子回复力原理分析动画。

[分析]传感器为什么测得的是回复力。

[实验]采集位移、力的数据，绘位移图像和力的图像。

（4）分析讨论。

[x—t图像]

用正弦函数来拟合，计算机找出的正弦图像与得到的x—t图像几乎完全重合，误差极小，弹簧振子的x—t图像的确是正弦或余弦函数图像。

[F—x图像]

对F—x图像作线性拟合，计算机找出的一次函数图像与得到F—x图像也几乎重合，但图像不经过x = 0的点，为什么？

[分析讨论] 实验中的位移，都是距离位移传感器的位移。前面得出的F=-KX结论，位移X 都是距离平衡点的位移。F—x图横轴上F = 0的点即平衡点，如果将位移的起点改为这个平衡点，在图像上即是让纵轴经过它，F—x图像即为标准的F = -kx图像。

因此，竖直弹簧振子与水平弹簧振子一样，回复力F与位移x（离开平衡位置的位移）的大小也成正比、方向相反。

同理，将上面x—t图像位移的起点由传感器的位置改为平衡点，x—t图像就会变成我们熟悉的那种正弦或余弦函数的图样。

3、了解弹簧振子的运动与其它振动的区别与联系

用声音分析软件探测乐音和噪声的振动图像。并演示音叉的振动图像，与弹簧振子的振动图像对比，并用音叉的振动迭加乐音的振动。

4、归纳总结，形成简谐运动的概念和规律

从弹簧振子与其它振动的对比中可以得到哪些结论？

[学生] 弹簧振子代表了一类振动，是最简单最基本的振动，复杂的振动可以由它们迭加而成。弹簧振子代表的这一类振动，叫做简谐运动。

这节课，我们主要研究的就是简谐运动。那么，简谐运动的规律或特点有哪些？你认为它的本质特征是什么？请利用校园网作一归纳并上传服务器。

[交流评价和指导] 组织学生交流校园网中的总结，引导学生避免照本宣科式的朗读。

（四）作业布置（略）。