实验探究在“简谐运动的图象”中的应用

物理学是以实验为本的科学。在物理学的发展中，实验起了重要作用。“实验探究”就是在现代物理教学过程中，为了让学生自己体验、总结、归纳某一物理规律、物理现象，创设物理环境、物理问题，让学生自己做实验，从而明白事物的来龙去脉，建立科学探究的精神。这样不仅仅可以掌握知识，也可以明白科学家认识世间万物的方法，并且通过“实验探究”，学生就能比较容易突破教学难点，很容易的掌握教学重点。
　　
　　在“简谐运动的图象”一节课中，教学难点和重点就是简谐运动的图象为什么是弦函数图象，运动怎么样在时间轴上展开。这需要学生去探究，为此笔者设计了以下实验探究过程。
　　
　　实验仪器：沙漏(摆线要长一点，1ｍ左右，目的是加大周期)，黑长木板(颜色是黑的，便于观察结果，木板足够长，1ｍ左右，目的是展示较完整的图象)，弹簧振子，位移传感器和电脑以及相关的配套软件。
　　
　　进行实验探究，最好进行分组实验，4～5人一组。
　　
　　提出问题：如何利用桌上的仪器，自己设计实验，让沙漏里流出的沙在木板上的轨迹是一条直线。
　　
　　进行实验：同学们提出的方案很多，教师有地展示其中两组实验方案。
　　
　　方案一：木板不动，沙漏自己做简谐运动，轨迹就是一条直线。
　　
　　方案二：沙漏不动，让木板水平平移，轨迹也是一条直线(图1中两虚线所示)。
　　

　　提出问题：在图1中，长虚线代表什么物理意义，短虚线代表什么物理意义?
　　
　　在沙漏不动的情况下，假如木板不动，沙子就落在一个点上，现在木板匀速运动，假如速度为ｖ，图象的横坐标轴就是ｖｔ，纵坐标轴就表示质点未动，如果ｖ的数值取1ｍ/ｓ，则横坐标轴就可以表示为时间，如图2所示。即使ｖ的数值不取1ｍ/ｓ，也可以按比例折算成时间，含义就是沙漏随着时间的推移，根本未动。
　　
　　提出问题：刚才两个方案一个是木板动，沙漏不动，一个是沙漏摆动木板不动，得出的轨迹都是直线，那么两者都动，沙子在木板上的轨迹是什么呢?(教师不要强调木板必须匀速)
　　
　　进行实验：各个小组做实验，得出的图象具有代表性的如图3所示。
　　

　　提出问题：在图3中，为什么甲图与横轴交点的间隔是均匀的，而乙中间隔是不均匀的?和学生一起分析，甲图一定是木板匀速平移，而乙图中木板不是匀速运动。结合前面的探究，所以甲图的横坐标轴可以表示为时间，纵坐标轴的物理意义就是质点各个时刻离开平衡位置的位移。因此强调木板必须匀速移动，才能正确的反映简谐运动的图象。通过分析，可以得出结论：简谐运动的图象是弦函数图象。
　　
　　验证实验：通过位移传感器演示一遍：如图4所示，把弹簧振子的Ａ端竖直挂起，振子一端固定一位移传感器，跟随振子一起做简谐运动，另一位移感应器固定在弹簧振子的竖直下方，然后把位移传感器接入电脑相配套的系统。这样随着振子的振动，在电脑屏幕上(可以投影到大屏幕上)就可以显示简谐运动的振动图象。
　　
　　为了实现探究过程，完全可以先让振子不动，在屏幕上振子随着时间变化的图象就是一条直线，表明位移未发生变化，手动固定在振子上的传感器，屏幕上就显示它的位移随时间变化的图象。
　　
　　这样步步为营，一点点通过问题引发学生思考、一步步通过实验去探究，学生就能循序渐进的明白振动图象的实质，也为后面讲解波动图象与振动图象的区别打下基础。
　　
　　课后反思：
　　
　　1、其实，并不是每一项知识都适合用探究的方法来教学，而应根据实际情况，具体问题具体分析。并且不同的知识内容，探究的方式和内容也应合理选择，应突出知识本身的特点，安排学习过程中探究的重点。
　　
　　2、物理学研究始于问题，提出问题对物理学研究意义重大。物理学家海森堡说：“提出正确的问题，往往等于解决了问题的一大半”，所以应培养学生的“问题意识”，在探究过程中，应鼓励学生提出问题。
　　
　　3、演示实验在条件允许、研究问题需要的时候，尽可能变成分组实验，这样有利于培养学生的学习兴趣、探究精神。教师应积极开发适合教学的实验项目，充分利用实验资源做实验。