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实验循序渐进 突破重难点

——谈粤教版高中物理选修 3-4《初识简谐运动》的教学

摘要：本文作者针对粤教版高中物理选修 3-4《初识简谐运动》的教学编排，结
合我校在仪器方面的不足和学生接受的实际这两方面不足。 探讨如何通过组装弹
簧振子装置、引导学生去探究和得出弹簧振子的位移-时间图象、 "粗"略的气垫
导轨实验和"精"细的 DIS 数字实验相结合等循序渐进的实验方式，得出弹簧 振子的位移-时间图象，让学生从一个有浅到深的感性认识，最后内化为自己对
简谐运动的理性认识，从而达到突破本节课的重、难点的教学目的。
关键词：实验 弹簧振子 图象
粤教版高中物理选修 3-4 第一章第一节《初识简谐运动》在教材编排上和旧
教材相比有所变化，并没有开始就从受力的角度去研究弹簧振子，而是让学生通
过实验与探究、交流与讨论，去寻找弹簧振子表象的运动特征，研究它的运动规 律，掌握弹簧振子的位移—时间图象，也是编者有意把图象和数学函数这两个知 识难点错开。这样的安排起到了一箭双雕的作用，既比较贴切学生一般由现象到 本质的认识规律，又能够让知识难点进行分散和相互铺垫。因此第一节的重点就
是掌握位移—时间图象及简单应用，难点是如何能够得出位移—时间图象。
编者编排教材的这些意图明显，但是在教师的 备课过程中就发现，教材的安排只适合课堂进行理 论分析和探讨，如果要进行实验探究，课堂教学将
会遇到几个问题：一是教材的图 1-1-1 弹簧振子的
运动或图 1-1-2 悬挂在弹簧下的小球上下运动的实
验，许多学校没有相对应的实验仪器，要演示或让学生参与这个实验非常困难，
教师对这个实验只能够纸上谈兵。二是教材要求用表 1-1-1 的垂直悬挂弹簧振子
的位移和时间的数据（图 1-1-3）作出弹簧振子的位移-时间图象，如果按照教材
的要求进行处理，只是让学生把时间浪费在描点和连线上，是本末倒置的做法，
学生对如何得出这些数据，为什么能够用来描述图象的疑问得不到解决。
为了切实落实新课标的要求，让学生通过实验与探究去认识弹簧振子，从而 得出弹簧振子的运动图象。在课堂教学中，必须要克服教材的在以上两方面的不 足，设计出能够演示和学生参与的实验，让学生在实验中掌握和理解。为此，必
须要设计和处理好下面几个关键问题：
一、组装一个能够代表弹簧振子的装置
弹簧振子是一个理想模型，实际的装置必须满足①弹簧的质量可忽略；②小

球可看作质点； ③一切摩擦力和阻力可忽略； ④最大位移在弹性限度内四个特点。
为了尽可能地减小摩擦力和阻力，可以利用实验室的气垫导轨，利用两根弹簧和
气垫滑块进行连接，开启气泵后，这样的装置就可以认为是弹簧振子（如图 1） 。

二、如何引导学生去探究和得出弹簧振子的位移-时间图象
引导学生探究要采用循序渐进的方法进行。首先可以给学生提出一个思考：
要研究弹簧振子的运动，就是要研究振子的位置随时间的变化情况，怎样去研究 振子的位置随时间的变化情况？这个问题思考可以让学生明白两点：一是我们在 研究弹簧振子的运动时必须要选择一个位置作为参考点，根据弹簧振子运动的特 点，应该选择振子的平衡位置为参考点，更加方便进行研究；二是弹簧振子的位
移随时间的变化就能够知道振子的位置随时间的变化，直观的位移-时间图象更
加方便研究弹簧振子的运动。从而自然地过渡到本节课的重点和难点。
对如何确定振子对平衡位置的位移随时间的变化？可以组织班级进行集体
小游戏：
①在白纸上用笔尖以某点为中心来回做直线运动， 弹簧振子的运动，
模仿 并
且留下笔的痕迹，要求学生回答他停笔前 0.5 秒笔尖的位置在哪里（学生回答确
定不了位置）？然后请同学思考为什么不能够知道停笔前 0.5 秒笔尖的位置在哪
里（学生回答笔尖的痕迹重叠）？如何能够让笔尖的痕迹不重叠（学生回答可以
拉纸）？再提出是确定的速度匀速拉还是任意速度拉纸，更方便确定停笔前 0.5
秒笔尖的位置在哪里（学生回答确定的速度匀速拉）？
②两位同桌相互配合， 一个同学在白纸上用笔尖以某点为中心来回做直线运 动，另外一个同学拉白纸垂直运动方向做匀速运动，观察笔尖的痕迹和探讨如何
确定停笔前 0.5 秒笔尖的位置在哪里？得出纸上面的痕迹实际是笔尖运动的位移
-时间图象。
三、 "粗"略的气垫导轨实验和"精"细的 DIS 数字实验相结合，得出弹簧

振子的位移-时间图象
1、由气垫导轨上的弹簧振子画出位移-时间图象

学生模拟的笔尖实验后对图象已经有了一定的理性和感性的认识， 但是学生
模拟的笔尖运动不是弹簧振子的运动， 课堂上要让学生清楚感性认识弹簧振子的 图象。可以提出一个问题给学生思考：怎么让气垫导轨上的弹簧振子来画出图
象？教师可以请两个学生参与实验， "给"气垫导轨上的弹簧振子连接一个针筒
作笔，改"画"为"滴"红色墨水，振动后，另外一个学生尽量匀速拉动白纸，
在白纸上就可以得到弹簧振子的位移-时间图象（如图 2） 。但是由于实验过程中
存在一些误差因素，如针筒的摆动、纸拉动的速度难于匀速等，以至墨水滴出的
图象不是那么的准确和完美。
2、采用位移传感器，使用 DIS 数字实验软件画出气垫导轨上弹簧振子的位
移-时间图象