佛山市南海第一中学 刘桂斌
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，模仿弹簧振子的运动，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
为了给学生一个更加精确的弹簧振子的位移-时间图象的认识，最后采用在滑块上用橡皮绑上一个位移传感器，把滑块运动时的位移情况通过数据采集器传输到电脑中，通过DIS数字实验软件同步把弹簧振子的位移-时间图象画出来。为了让学生感觉到位移的变化，调零后，先让振子不动，可以看见红线的位移为零，振子运动，画出一系列的曲线，即得出了弹簧振子的位移-时间图象。为了让学生进一步确认该曲线是正弦或余弦曲线，可以通过计算机和标准的正弦或余弦曲线进行拟合，让学生确定这是一条正弦或余弦曲线（如图3）。
