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创新情境实验研究在拓展性作业的应用
——运用单位制探究单摆周期公式
教学目标
知识目标：
1、知道什么是单位制，什么是基本单位，什么是导出单位;
2、知道力学中的三个基本单位。
能力目标：
培养学生在计算中采用国际单位，从而使运算过程的书写简化;
德育目标：
使学生理解建立单位制的重要性，了解单位制的基本思想。
教学重难点
教学重点：
1、什么是基本单位，什么是导出单位;
2、力学中的三个基本单位。
教学难点：
统一单位后，计算过程的正确书写。
一、问题的提出
《力学单位制》是人教版高中物理必修1第四章第4节的教学内容。《最新普通高中物理课程标准》对本节课的内容要求为条目1.2.4：知道国际单位制中的力学单位。了解单位制在物理学中的重要意义。其中“知道国际单位制中的力学单位”侧重于知识层面的要求，在课堂教学中相对容易操作。而“了解单位制在物理学中的重要意义”侧重于物理思想方法应用层面的要求，《普通高中物理课程标准（2017年版）解读》对此条目也做出了详尽的阐述：会用基本单位表示以往所学物理公式中的导出单位，在物理问题的计算中感受应用单位制有利于简化物理单位的处理，体会单位制在物理学研究中的重要意义。在教学实践中，老师们一般的操作是让学生通过“推导单位”和“简化运算”来体会单位制在物理学研究中的重要意义。这些教学内容对大多数的学生来说，非常容易接受。但是，正因为内容浅显，学生的思维就容易有局限性，感觉单位制的用途仅限于此，不会再做更深入的思考。如果在单位制学习基础上，教师引领学生通过课后拓展实验探究，进一步深度参与物理学研究的过程，那么学生的物理思维体验将会再上一个台阶。为此，笔者在“单位制的应用”这一节课的课后拓展性作业设计了一个实验探究创新情境，即运用单位制探究单摆周期公式。
二、案例呈现
教师要对探究活动设定研究主线，“探究单摆周期公式”仅是一个研究载体，而“运用单位制”的思想方法才是核心问题，这个过程要巧搭脚手架，铺设合理的认知阶梯，同时还要减少探究过程的不确定性。
1.创设情景，引入实验
1582年的一天，伽利略到教堂做礼拜，一位修理工人不经意触动了教堂中的大吊灯，使它来回摆动。摆动着的大吊灯映入了伽利略的眼帘，引起他的注意。伽利略聚精会神地观察着，脑海里突然闪出测量吊灯摆动时间的念头，凭着学医的经验，伽利略把右手指按到左腕的脉搏上计时，同时数着吊灯的摆动次数。让他大为吃惊的是，吊灯每来回摆动一次的时间所用时间是相同的。回到家，伽利略用细绳的一端系上小球，将另一端系在天花板上，这样就做成了一个单摆，用这套装置，伽利略继续测量摆的摆动周期。伽利略自制了很多单摆进行实验，经过严密的逻辑推理，不但发现了单摆的等时性，而且发现了决定单摆周期的因素。
2.巧用光电计时装置，激发学生兴趣
教师介绍并组装好单摆，利用光电计时装置，展示单摆振动周期的等时性，数据准确，效果明显，借此铺设好台阶，引导学生猜想与假设。
演示实验1 在一根质量可忽略的细线上套一段长约15mm，直径为1~2mm的塑料管。用细线一端系上小球，将另一端固定在铁架台支架上，使摆长大约为1m。将数字计时器上的光电门也固定在支架上，调整细线上塑料套管的位置，使其与光电门等高，使单摆振动时，塑料套管经过光电门，起到挡光作用。打开光电计时装置，观察单摆振动周期相等。
教师引导学生猜想：单摆振动周期可能与哪些因素有关呢？
猜想1：与小球质量有关
猜想2：与空气阻力有关
演示实验2 更换不同质量的摆球，同时调整细线长度保持摆长不变，重新进行实验，测得的振动周期仍不变，证明单摆振动周期与摆球质量无关，从而否定了猜想1。进一步引导学生分析，小球质量越大，体积越小，受到的空气阻力的影响也就越小，所以在单摆稳定振动的一段时间内，空气阻力的影响可以忽略不计，从而排除了猜想2。
猜想3：与小球运动快慢有关（教师点评修正为最低点的速度）
猜想4：与细线偏离竖直方向的角度大小有关
演示实验3 保持摆长不变，改变偏角（最大不超过100）释放单摆，这时小球在最低点的速度也发生改变。重新进行实验，测得的振动周期仍不变，证明单摆振动周期与细线偏离竖直方向的角度大小无关，与小球在最低点运动快慢也无关，从而否定了猜想3、4。
猜想5：与细线长度有关（教师点评修正为摆长，要考虑小球直径大小）
3.学生分组实验，共同研究单摆振动周期与摆长的关系
教师将已调整好摆长的单摆装置分发到各小组，学生用秒表测量单摆完成30个周期所用的时间，提交数据后，教师采用Excel软件来集中处理数据。
提示：保持单摆在竖直平面内摆动，摆角最大最大不超过100，待单摆摆动稳定后再测量；为减少误差，测量时间从摆球经过平衡位置开始计时，这个位置摆球速度最大，计时相对误差较小；为提高时间测量准确度，采取叠加测量，即测量30个周期的时间，再除以次数，即可得到一个周期的时间。
