人教版 (2019)选择性必修 第一册实验：用单摆测量重力加速度教学设计

这是一份人教版 (2019)选择性必修 第一册实验：用单摆测量重力加速度教学设计，共5页。教案主要包含了实验思路等内容，欢迎下载使用。
用单摆测重力加速度
教学目标
1.会依据单摆周期公式确定实验思路。
2.能设计实验方案，会正确安装实验装置并进行实验操作。
3.能正确使用刻度尺测量单摆的摆长，能正确使用停表测量单摆的振动周期。
4.能正确处理数据，测出当地的重力加速度。
5.能从多个角度进行实验误差分析。
教学重点：
实验设计思路、实验原理及实验过程中的注意事项
教学难点：
用两种方法进行数据处理及实验误差分析
教学过程
新课导入
同学们我们知道地球上重力加速度的分布是不同的，了解地球上重力加速度的分布最地球物理学航空航天领域，以及大地测量学都有着重大意义，大家观看视频了解一下，为此我们需要了解测量重力加速度的测量方法。回顾上节课内容，惠更斯推导出周期公式后，用单摆测量了巴黎的重力加速度，我们可不可以利用单摆测量深圳当地的重力加速度呢？引出本节课的实验目的。激发学生的实验热情和学习兴趣。
一、实验思路
单摆在偏角很小(如小于5°)时的摆动，可以看成是简谐运动。
其周期为：由此可得：
只要想办法测量出单摆的摆长l和周期，带入中就可以计算得出本地重力加速度g。
（一）实验器材
PK
提出问题1： 线有粗细、长短的不同，伸缩性也有区别。不同的小球，质量和体积有差异。想一想，应如何选择摆线和摆球？为什么？
无弹力
有弹力
学生总结回答后，教师提炼总结：线的选择：细一些、适当长一些（本实验要求1m左右）。不可伸长，且细线质量相对于摆球质量可忽略。
摆球的选择：半径小一些（远小于摆线长度）、质量大一些。
这样做成的装置才符合单摆模型，当摆角小于5°时，才可看成简谐运动，摆动周期 。
问题2：下图画出了细线上端的两种不同的悬挂方式。应该选用哪种方式？为什么？你还有更好的设计吗？
学生总结回答后，教师提炼总结：应选用乙方式悬挂，因为相对于甲装置，乙装置在单摆摆动过程中摆长不变，且可调整摆长。
（二）物理量的测量
设计安装好实验装置后，提出问题：测摆长：
问题：如何测量单摆摆长？
学生回答基础上归纳总结：
方法一：用刻度尺直接测量小球球心与悬挂点之间的距离作为摆长的测量值。
方法二：用游标卡尺测量小球的直径，算出它的半径，再用刻度尺测量悬挂点与小球上端之间的距离，以二者之和作为摆长的测量值。
测周期
问题1：如何测量周期？
对学生回答问题进行提炼出一下两个方法：
方案一：用停表测单摆一次全振动的时间作为它的周期测量值。
方案二：用停表测单摆多次全振动的时间，然后计算求出它的周期数值。
问题2：你认为哪个方案好？为什么？
然后总结归纳：由于单摆一次全振动周期较短，测量误差较大，因此选择第二个方案较好。
问题3：你认为停表计时起点，是从单摆的最低点开始好呢？还是从最大位置开始好呢？为什么？
提示：最低点。一是最低点位置很明确，便于观测，而最高点位置模糊不便观测；二是单摆经过最低点时的速度最快，在通过最低点的瞬间按动秒表计时最精确。（一）数据分析
如何进行数据分析得出当地较为准确的重力加速度g?
待学生回答总结提炼后，得出如下：
1.平均值法:每改变一次摆长,将相应的l和T代入公式中求出g值,最后求出g的平均值。设计如下所示实验表格：
图像法：
在很多实验数据分析中，为了让作图更为准确，我们通常怎么做？
提示：想办法找到测量的两个物理量之间的线性关系式，这样作图简单而又准确。
请尝试推导T与l之间的线性关系式？然后说明如何求出重力加速度g的准确值？
由周期公式：得
斜率：即，做出T2-l图像，求出斜率k,则：
误差分析
在实验中，哪些操作会导致实验产生误差？
1.系统误差
主要来自于单摆模型本身是否符合要求，即悬点是否固定，摆球和摆长是否符合要求，最大摆角是否不超过5°，是否在同一竖直平面内摆动等。
2.偶然误差
（1）主要来自于时间测量，测量时间时要求从摆球通过平衡位置开始计时，在记次数时不能漏记或多记。同时应多次测量，再对多次测量结果求平均值。机械式停表只能精确到0.1s，读数时不需估
（2）测长度和摆球直径时，读数也容易产生误差。
（一）实验步骤
让学生根据前面学习的内容，完善实验步骤，然后后学生共同梳理实验步骤：
1.在细线与小球连接制成单摆，然后固定在桌边的铁架台上
2.用米尺量出线长L，用游标卡尺测摆球直径d，则单摆的摆长为
3.让单摆小幅摆动，用秒表测量单摆完成30次全振动（或50次）所用的时间，并计算周期T。
4. 改变摆长多做几次并记录数据
5. 利用摆长l和周期T代入公式
求出g或者作图利用斜率求出g
（二）实验注意事项
该实验操作中需要那些注意事项？
1．选择细线时应选择细、轻而且不易伸长，长度约1米左右的细线，小球应选密度较大、半径较小的金属球。
2．单摆摆线的上端应夹紧，不能卷在铁架台的杆上，以免造成悬点不固定，摆长变化的现象。
3．测量摆长时应注意是悬点到球心的距离，等于摆线长加上小球半径。
注意摆线长与摆长的区别。
4．要使单摆在竖直平面内摆动，不要形成圆锥摆。
5．要注意控制摆球的最大摆角不超过5° 。
6．计算单摆的振动次数时，应从小球通过最低位置时
开始计时，同方向再次通过最低位置时，计数为1 、 2 ……
7．改变悬线长度多次测量，最后求出g的平均值。
（三）实验操作
请同学们完成按照实验步骤和实验方案完成实验，测出当地的重力加速度。
实验创新
（一）更精确测量出周期T，采用光电门传感器记录摆球摆动时间，记录数据，算出重力加速的的大小。教师演示实验
(二)介绍手机的Phyphx软件，手机作为摆直接测量重力加速度，体会科技带来的便利。教师演示实验
课后作业：完成实验报告单以及自我评价表，做好实验后总结和反思