实验：利用单摆测重力加速度
安徽省太湖县第二中学 叶艳国
尊敬的各位评委老师：大家好！
美国《物理世界》杂志评选出十大经典物理实验，最吸引我的并不是到底有哪十个实验入选，而是评选依据和原则是什么。了解后我彻底佩服：十大经典实验没有用到大型计算工具、高端精密仪器，最多不过一把直尺、一个计算器或一个三棱镜等。所有这些实验的共通之处是它们都紧紧“抓”住了物理学家眼中“最美丽”的科学之魂——用最简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯的科学概念，这就像是一座座历史丰碑，扫开长久困扰人们思想的迷雾，开辟了人类对自然界的崭新认识。
高中物理所有的教学实验中，“利用单摆测重力加速度”可谓所用器材、设计方案最简单的实验之一。所以我今天说课的题目是《利用单摆测重力加速度》。
我将从实验内容设计、实验教学目标、实验方法设计、教学过程设计和反思与自我评价等五个方面进行说课。
一、实验内容
在物理课程标准中，测定重力加速度的实验只要求“用单摆测重力加速度”。但实际涉及重力加速度的物理模型、规律很多，本节不要求学生用其它方案测重力加速度，而是让学生经历一次对比分析的过程。本实验属于探究测量型。学生的科学探究并不仅仅是动手操作、进行实验活动，更要求学生能构建“知识目标”、形成“科学观念”、领悟“科学研究方法”。因此，在教学中重点应放在物理方法的教学及加深学生对模型探究的理解上。本节实验探究是在学生原有认知基础上，通过假设、建模，建立新的知识结构等方法从而对物理规律有新的认识。
（一）、实验原理
利用理想模型单摆做简谐运动的周期公式T=2,测出摆长l，测出周期T，即可计算出当地重力加速度g。
（二）、教学重点
１.探究思想、探究过程、探究方法的渗透。
２.测定当地重力加速度方案的获得过程。
３.会用单摆精确地测定重力加速度。
（三）、教学难点
用单摆测定重力加速度方案的设计及操作过程的把握。
（四）、仪器准备
铁架台、中心有小孔的磁性金属小球、长约1m的细线、刻度尺、游标卡尺、秒表、磁场传感器。
二、教学目标
1.复习与“重力加速度”有关的知识，加深学生对其理解。
2.会应用相关知识，联系生活，构想有关物理模型。
3.能对实验进行规范操作。
4.能对实验方案进行分析与选择。
5.通过设置问题启发学生思考，使学生初步掌握思维方法。
6.让学生能够根据问题的要求和相关条件，构造有关的实验情景，优选实验原理和方案，确定解决问题的实验程序，得出准确合理的结论。
7.促使学生深刻领悟实验原理、加深认识仪器的工作原理，在不同的实验情景下，创造性地灵活运用实验知识和技能解决相关问题。
8.通过探究和设计活动，培养学生的合作精神、分享意识，以及关注社会、积极参与的意识。
9.通过对单摆周期公式的理解以及物理知识在实际生产、生活中的应用，体会物理学中的和谐美与理论联系实际的统一美。增强学生对科学的好奇心与求知欲，使学生乐于探究自然界奥秘。
三、实验方法
本实验尽管仪器简单、方案简单，但实际实验却并不简单，需要抓住细节，讲究方法。最基本的方法为：累积法、图像法。
因单摆做简谐运动完成一次全振动所需时间很短，直接测量误差很大，所以用“累积”的思想方法以减小实验误差；处理实验数据既可用列表分析求平均值，也可利用函数关系做4图像，根据倾斜直线斜率求g.
本实验所测量最要注意的是测T，除了传统累积法，我们还可以借助传感器和数字化信息系统处理数据，以获得更精确的测量数据。
四、教学过程
（一）、组织教学：在许多物理规律中，我们都要用到一个物理量：重力加速度g。我们通常把这个物理量看作已知量，然而它的大小又是怎么得来的呢？今天我们一起研究这个问题并测定学校所在位置的重力加速度。
（二）、实验探究
探究1：探究涉及到重力加速度的物理规律和物理模型
（1）教师提出问题。
要测定地球表面附近的重力加速度，我们就应检索一下我们所学的知识范围内，有哪些内容涉及到重力加速度，它与其他物理量有何定量关系等。
（2）教师巡视，倾听、鼓励并给予补充。学生思考、讨论，把结果写在草稿上。
探究２：探究测定重力加速度方案的可行性并选择方案：
（1）简易性原则；
（2）安全性原则；
（3）低成本性原则
（4）科学性原则
组织学生总结涉及到重力加速度的物理规律，并罗列在黑板上。（学生叙述、相互补充）
①静力学中，静止物体对竖直悬挂绳的拉力或对水平支持物的压力大小等于重力大小，即F=G=mg，若G和m能测定，则重力加速度g可测定。（分析：现在常用的测力计误差较大）
②在运动学中，物体从光滑斜面上由静止下滑，若m、a、θ可测定，则也可测定重力加速度。（分析：a不易测定且难以保证斜面足够光滑）
③当物体在竖直方向做匀加速运动时，由牛顿第二定律mg-f=ma，若m、f和a可测出，则重力加速度可测定。（分析：f、a均不易测定）
④在自由落体运动中，若G、m能测定，则重力加速度g可测定。（分析：虽操作简便但有摩擦和空气阻力等）
⑤单摆做简谐振动时，其周期为定值，若T、l可测，则重力加速度便可测定。（分析：操作简便、较精确）
⑥假设一物体在地球表面附近绕地球做圆周运动，由重力等于向心力可得。（分析：只是一个思想方法，只可用于估算）
探究３：探究实验的实施与操作细节注意
实验方案选定之后，考虑该方案需要哪些装置，被测量与哪些物理量有直接的定量关系，这些物理量分别用什么仪器来测定，从而确定整个实验需要哪些器材。需要的器材：铁架台、细线和摆球等（用来组装单摆）；秒表、米尺、游标卡尺（分别测
n次全振动的时间t、摆线长度l′和摆球直径d）。计算式：(其中T、l为间接测量物理量，t、l′、d为直接测量物理量)
（巡视和指导，提问）：
①组装单摆要注意什么？
②为什么先组装单摆，再测摆长？
③摆长怎么测？
④单摆的运动有什么要求？
⑤测周期要注意哪些问题？
⑥秒表、游标卡尺的使用要注意哪些问题？
学生动手做实验：
①做单摆：取约1米长的线绳穿过带孔的小钢球，并打一个比小孔大一些的结，然后拴在桌边的支架上。
②用米尺量出摆线长l′，精确到毫米，用游标卡尺测摆球直径d。
③把单摆从平衡位置拉开一个角度（θ<10°）由静止释放，使之在同一竖直平面内做简谐运动，用秒表测量单摆完成n次（50～100次）全振动所用的时间t。
对比探究：
在单摆的平衡位置正下方放置磁传感器，摆球换成磁性小球，通过数字信息系统精确得出单摆周期。这样尽可能地减小了实验误差。
④把测得的物理量的数值代入测量式 ，求出重力加速度g的值。
⑤变更摆长，重做几次实验，最后求出重力加速度g的平均值。
探究４：实验数据处理分析
引导学生分析处理实验数据的方法有哪些，这个实验可以用哪些方法处理？怎么处理？哪种方法好些？
建议实验数据用列表法、作图法处理。
表1 重力加速度与各物理量之间的关系
D/cm l′/cm l/cm t/s T/s 4
1
2
3
4
5
学生小组分任务动手处理
①平均值法 ②图象法
总结实验过程：
①体会物理学中常用的方法：类比法、理论推导法、归纳法、积累法、图象法等。
②体会理论与实践的和谐统一。
③探究的过程与方法：猜想与假设、设计方案、实验验证、逻辑推理等。
五、教学反思与评价
在教学过程中，学生出现了一些意料之中的问题，比如游标卡尺的读数问题、计几十次全振动次数出差错等，但他们充分发挥主观能动性探究出了许多可行而值得推广的方案，如为了使单摆可以在同一竖直平面内做简谐运动，可以改单摆为双线摆；并对新的方法十分感兴趣。学生从中享受到了学习的快乐，在快乐中理解了相关知识并能应用到实际中去，教学的收获也就在此了。
(共21张PPT)
实验：利用单摆测重力加速度
安徽省太湖县第二中学 叶艳国
2015年8月28日
十大经典物理实验
埃拉托色尼测量地球圆周
伽利略的自由落体实验
伽利略的加速度实验
牛顿的棱镜分解太阳光
卡文迪许扭秤实验
托马斯·杨的光干涉实验
让·傅科钟摆实验
罗伯特·密立根的油滴实验
卢瑟福发现核子
托马斯·杨的双缝演示应用于电子干涉实验
评选依据和原则：
十大经典实验没有用到大型计算工具、高端精密仪器，最多不过一把直尺、一个计算器或一个三棱镜等。所有这些实验的共通之处是它们都紧紧“抓”住了物理学家眼中“最美丽”的科学之魂——用最简单的仪器和设备，发现最根本、最单纯的科学概念，就像是一座座历史丰碑，扫开长久困扰人们思想的迷雾，开辟了人类对自然界的崭新认识。
我的说课：
高中物理所有的教学实验中，“利用单摆测重力加速度”可谓所用器材最简单、设计方案最简单的实验之一。所以我今天说课的题目是《利用单摆测重力加速度》。
我将从实验内容设计、实验教学目标、实验方法设计、教学过程设计和反思与自我评价等五个方面进行说课。
一、实验内容
（一）、实验原理
利用理想模型单摆做简谐运动的周期公式T=2 ,
测出摆长l，测出周期T，即可计算出当地重力加速度g。
（二）、教学重点
１、探究思想、探究过程、探究方法的渗透。
２、测定当地重力加速度方案的获得过程。
３、会用单摆精确地测定重力加速度。
（三）、教学难点
用单摆测定重力加速度方案的设计及操作过程的把握。
（四）、仪器准备
二、教学目标
（一）、知识与技能
1、复习与“重力加速度”有关的知识，加深学生对其 理解。
2、会应用相关知识，联系生活，构想有关物理模型。
3、能对实验进行规范操作。
4、能对实验方案进行分析与选择。
（二）、过程与方法
5、通过设置问题启发学生思考，使学生初步掌握思维方法。
6、让学生能够根据问题的要求和相关条件，构造有关的实验情景，优选实验原理和方案，确定解决问题的实验程序，得出准确合理的结论。
7、促使学生深刻领悟实验原理、加深认识仪器的工作原理，在不同的实验情景下，创造性地灵活运用实验知识和技能解决相关问题。
（三）、情感态度与价值观
8、通过探究和设计活动，培养学生的合作精神、分享意识，以及关注社会、积极参与的意识。
9、通过对单摆周期公式的理解以及物理知识在实际生产、生活中的应用，体会物理学中的和谐美与理论联系实际的统一美。增强学生对科学的好奇心与求知欲，使学生乐于探究自然界奥秘。
三、实验方法
本实验尽管仪器简单、方案简单，但实际实验却并不简单，需要抓住细节，讲究方法。最基本的方法为：累积法、图像法。
因单摆做简谐运动完成一次全振动所需时间很短，直接测量误差很大，所以用“累积”的思想方法以减小实验误差；处理实验数据既可用列表分析求平均值，也可利用函数关系做4 图像，根据倾斜直线斜率求g.
本实验所测量最要注意的是测T，除了传统累积法，我们还可以借助传感器和数字化信息系统处理数据，以获得更精确的测量数据。
四、教学过程
实验探究
探究1：探究涉及到重力加速度的物理规律和物理模型
探究２：探究测定重力加速度方案的可行性并选择方案：
1、静力学中，静止物体对竖直悬挂绳的拉力或对水平支持物的压力大小等于重力大小，即F=G=mg，若G和m能测定，则重力加速度g可测定。（分析：现在常用的测力计误差较大）
2、在运动学中，物体从光滑斜面上由静止下滑，若m、a、θ可测定，则也可测定重力加速度。（分析：a不易测定且难以保证斜面足够光滑）
3、当物体在竖直方向做匀加速运动时，由牛顿第二定律mg-f=ma，若m、f和a可测出，则重力加速度可测定。（分析：f、a均不易测定）
4、在自由落体运动中，，若G、m能测定，则重力加速度g可测定。（分析：虽操作简便但有摩擦和空气阻力等）
5、单摆做简谐振动时，其周期为定值，若T、l可测，则重力加速度便可测定。（分析：操作简便、较精确）
6、假设一物体在地球表面附近绕地球做圆周运动，由重力等于向心力可得。（分析：只是一个思想方法，只可用于估算）
探究３：探究实验的实施与操作细节注意
实验方案选定之后，考虑该方案需要哪些装置，被测量与哪些物理量有直接的定量关系，这些物理量分别需要什么仪器来测定，从而确定整个实验需要哪些器材。需要的器材：铁架台、细线和摆球等（用来组装单摆）；秒表、米尺、游标卡尺（分别测n次全振动的时间t、摆线长度l′和摆球直径d）。计算式：
(其中T、l为间接测量物理量，l′、 d、 t为直接测量物理量)
对比探究：精确测周期T（利用磁传感器、数字化信息系统）
探究４：实验数据处理分析（对比列表求平均值法和图像法）
五、教学反思
在教学过程中，学生出现了一些意料之中的问题，比如游标卡尺的读数问题、计几十次单摆全振动次数出差错等，但他们充分发挥主观能动性探究出了许多可行而值得推广的方案，如为了使单摆可以在同一竖直平面内做简谐运动，可以改单摆为双线摆；并对新的方法十分感兴趣。学生从中享受到了学习的快乐，在快乐中理解了相关知识并能应用到实际中去，教学的收获也就在此了。
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T=99.0/50=1.98s
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T=2.4130-0.4594=1.9536s
