《外力作用下的振动》的探究式教学设计与反思

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江苏省赣榆高级中学  杨宁
一、教材分析
“外力作用下的振动”是人教版普通高中物理课程标准实验教科书《物理》选修3-4第十一章机械振动第5节内容。本节以“外力作用下的振动”为标题，介绍了“阻尼振动”“受迫振动”“共振”的概念。在内容安排上与老教材有较大的变化，这样做不仅可以使学生认识到阻尼振动、受迫振动和共振都属于外力作用下的振动，而且有利于学生对振动分类的理解。教材首先介绍了振动物体的固有频率的概念，再从能量的角度分析阻尼振动，进而通过实验探究了受迫振动的频率与驱动力频率的关系，最后利用实验探究了受迫振动的振幅与驱动力频率的关系，从而认识了共振现象。在教学中我深入挖掘教材资源，充分发挥探究实验的作用，让学生亲身经历实验探究的过程，让学生清楚地认识阻尼振动的振幅减小的过程，观察物体在做受迫振动时其频率跟驱动力频率的关系，以及受迫振动的频率与物体固有频率接近时振动的特点，达到了较好的教学效果。
二、教学设计
（一）教学目标
1、知识与技能
知道阻尼振动及阻尼振动中能量的转化情况；知道受迫振动，知道受迫振动的频率等于驱动力的频率；知道共振以及发生共振的条件，知道共振的应用和防止。
2、过程与方法  
通过对阻尼振动、受迫振动和共振现象的实验探究和实例分析，培养学生的观察分析能力；了解共振在实际中的应用和防止，提高理论联系实际的能力。
3、情感态度与价值观
通过受迫振动和共振的教学，认识内因和外因的辩证关系；通过共振的应用和防止的教学，渗透一分为二的辩证法观点。
（二）教学重点
阻尼振动、受迫振动、共振及产生共振的条件
（三）教学难点
物体是否能发生共振决定于驱动力的频率与物体固有频率的大小关系，与驱动力大小无关；当f驱＝f固时，物体做受迫振动的振幅最大。
（四）教学准备
软弹簧，滑块，玻璃板，木板，布，直尺，铁架台，小金属球，水，大烧杯，受迫振动演示仪、共振演示仪。
（五）教学过程
1、探究阻尼振动
⑴提出问题，作出假设
简谐运动是振动系统内部的相互作用力提供的回复力，是一种理想化的运动。同学们猜想一下：如果振动系统受到外力的作用，它将如何振动呢？可以用怎样的实验来探究这一问题呢？
⑵制定方案，实验探究
备用器材：软弹簧，滑块，玻璃板，木板，布，直尺，铁架台，小金属球，水，大烧杯等
学生讨论，设计探究，交流总结，得到下述两种备选方案：
方案一、如图1所示，观察水平方向振动物体分别在粗糙程度不同的表面上的振动情况。
方案二、如图2所示，观察竖直方向振动物体分别在空气和水中的振动情况。
图1  探究水平方向
振动的物体
图2  探究竖直方向
振动的物体
 
 
 
 
 
 
 


⑶细心观察，比较现象
学生观察实验后，可以总结得出以下现象：
现象一、物体振动时，振幅均减小，最终均停止。
现象二、物体在不同情况下振动时，振幅减小的快慢不同。
⑷由表及里，探究成因
引导学生分析现象，比较条件，找出原因：
现象一的成因：物体在振动时均受到阻力的作用，振动系统克服阻力做功，要消耗机械能，因而振幅不断减小。
现象二的成因：物体在不同情况下振动时受到的阻力大小不同，阻力越大，机械能消耗得越快，振幅减小得越快。
⑸归纳总结，得出结论
振动系统在阻力作用下振幅逐渐减小，这样的振动叫阻尼振动，且阻尼越大，振幅减小得越快。
2、探究受迫振动
⑴提出问题
阻尼振动系统只有在驱动力作用下，才能持续地振动下去，这时物体做受迫振动，那么，受迫振动的频率与什么因素有关呢？
⑵探究方案
①生活实例：跳水运动员在跳板上走动时，跳板做什么振动？跳板的振动情况和运动员的跳动情况有关吗？
②实验探究：利用课本图11.5-2的装置研究受迫振动的频率。
通过改变电动机的转速来改变驱动力的频率，观察振子的振动频率，记录实验结果。
多媒体视频展示：木板的受迫振动，竖直弹簧振子的受迫振动。
⑶归纳结论
物体做受迫振动的频率等于驱动力的频率， 与振动物体的固有频率无关。
3、探究共振现象
⑴提出问题
图3 探究受迫振动的振幅
D
A
B
C
物体做受迫振动的频率与系统的固有频率无关，那么受迫振动的振幅是否也跟它的固有频率无关呢？应该怎样探究这一问题呢？
⑵探究方案
如图3所示，在一条张紧的绳子上挂几个摆，摆长大小为
LD>LA=LB>LC。让A摆振动观察B、C、D的振幅情况。
⑶观察现象
B摆的振幅大于C、D摆的振幅。
⑷探究成因
在A摆的作用下，B、C、D摆分别做受迫振动，B、C、D摆做受迫振动的频率均等于A摆的振动频率。而各摆的固有频率是由摆长大小决定，B做受迫振动的频率等于B摆的固有频率，B摆的振幅最大；C、D做受迫振动的频率不等于C、D摆的固有频率，C、D摆的振幅小。
⑸归纳结论
当系统做受迫振动时，如果驱动力的频率十分接近系统的固有频率时，振动物体的振幅会很大。如果驱动力的频率等于系统的固有频率时，受迫振动的振幅最大，这种现象叫共振。
实验演示和多媒体展示：音叉的共鸣 。
4、探究共振曲线
⑴提出问题
共振曲线反映的是物体做受迫振动时，受迫振动的振幅随驱动力频率的变化关系。请同学们仔细观察共振曲线，你能发现什么规律呢？
⑵探究规律
当驱动力的频率f驱跟受迫振动物体的固有频率f固越接近时，受迫振动的振幅越大；当驱动力的频率f驱等于受迫振动物体的固有频率f固时，振幅最大。
⑶解决问题
问题：下表记录了某受迫振动的振幅随驱动力频率变化的关系。若该振动系统的固有频率为f固，则（      ）
驱动力的频率（HZ）304050607080
受迫振动的振幅（cm）10.216.827.228.116.58.3
 
 
 
A．f固=60 HZ  B．50 HZ< f固<60 HZ  C．50 HZ< f固<70 HZ  D．以上三个答案都不对
解析：表中列出的数据只是部分驱动力频率和受迫振动的振幅关系，不能由此确定数据中振幅最大时的频率为物体的固有频率，不能选A。由共振曲线的规律可判断物体的固有频率可能在50HZ到60HZ之间，也可能在60HZ到70HZ之间，也可能就是60HZ，故正确选项为C。
5、生活中的共振和减振现象（学生自学）
三、教学反思
普通高中物理课程标准的课程理念是注重学生的自主学习，提倡教学方式的多样化，重视让学生经历科学探究过程，要求学生具有一定的质疑能力，信息收集和处理能力，分析解决问题的能力和交流与合作的能力。教学过程是体现课程理念，实现课程目标的一种创造过程。要搞好新课程理念下的教学，教师必须转变教学理念，既要重视教师在教学中“导”的作用，更要发挥学生在学习中的“主”的地位，还要充分利用好教与学的文字资源“本”的信息。在实际教学中，教师要充分利用课堂的教学空间，为学生尽可能多的提供探究的机会；教师可以对一些探究的物理问题创设一定的情境，让学生再去设计、观察、体验、总结和思考。要对学生的探究成果进行客观公正地评价，增强学生的学习兴趣。
总之，新课改要求教师解放教学思想，要将课堂教学开放，让教师由知识的讲授者转变为学习过程的引导者，让学生由被动学习的接受者转变为主动学习的探究者，让课堂由教师的表演舞台转变为学生的学习乐园，让学生经历知识的获取过程，达到“授之以渔”的目的，以培养出适用现代社会的新型人才。