《机械波》教材分析与教法研究
一、教 材 分 析
（一）、教材的地位及关于教学大纲和考试说明的认识和理解
1．教材的地位
高中物理教材中能量的观点、守恒定律、波的知识等在近代物理中具有重要意义，在这套教材之前的试验课本中试图有所加强，在试验课本中的“机械波”一章中不仅讲述一维波，而且讲了二维波和三维波；增加波的反射和折射、多普勒效应(选学)，现行课本把机械波由第一册移到第二册，将波动形式集中在一起讲解，旨在便于类比，有利于加深理解。这样，在一定程度上强化了对波这种运动形式的讲授和教学要求，在编者认为波的概念在现行大纲中强调不够，今后理应有所加强。
机械波是高一学生学习的另一个难点。在此之前学生学习的是单个质点的运动，而波动要求学生理解并想象多个质点同时又不同步运动的情况，以及这种运动在空间的传播，这对高中一年级学生是有相当难度的。编者把机械波由第一册移至第二册，将波动形式集中在一起讲解，除便于类比，有利于加深理解外，把在高中一年级学习时学生感到困难的内容移至学生能力有所提高的高中二年级，相对降低了难度，但从实际教学需要出发，我们仍需要将这章教材放在高一进行教学，对于学生理解掌握可能会出现的困难要有必要的思想准备。
2．关于教学大纲和考试说明的认识和理解
教学大纲的变化
必修：①“波长、频率和波速的关系”由B级要求降为A级要求。②删去了“声波(A)。”
必修加选修：删除了“声波(A)”，但保留了演示“声波的干涉和声音的共鸣’，
2003考试说明的提示
37．振动在介质中的传播——波．横波和纵波．横波的图象，波长、频率和波速的关系（Ⅱ）
38．波的反射和折射现象（Ⅰ）
39．波的叠加．波的干涉、衍射现象（Ⅰ）
40．声波　（Ⅰ）删去：声波的干涉、声音的共鸣
41．超声波及其应用（Ⅰ）
42．多普勒效应（Ⅰ）
从教学大纲和考试说明和教材的编者意图来看，在教学中着眼于在机械振动的基础上讲述波的基本知识和有关波的共性的知识，如波的描述（波长、频率、波速）、波的传播规律、波的图象、波的反射和折射、波的干涉、衍射等等，使学生对于波有一个基本认识，为以后学习电磁波、光波打下必要的基础，同时在以后学习电磁波、光波后进一步形成对波的较为完整的认识。在必修与选修的这章教材中有6处涉及电磁波、光波的联系，说明对本章的教学，不仅帮助学生认识机械波，还需要让学生认识这些知识是波的共性知识，是电磁波、光波学习的基础。
同时也注意到必修与选修对教学要求的差异，在实际教学中，可以根据学生的实际情况，对教学要求有所调整，以有利于学生对知识的接受和后继教学的教学需要即可。
（二）、教材的结构及教材结构的教学思考
本章可分为四个单元：
　　第一单元：第一节至第三节。讲波的产生、传播和描述。
从教材结构看，第一单元是形成对机械波的认识，横波、纵波反映了质点振动方向与波传播方向的关系，波的图象是用数学方法对波的抽象，从而认识简谐波，并再认识质点振动方向与波传播方向的关系，波长、频率和波速的学习，对于波和波的传播的有定量认识，对波的形成条件也有具体的理解。所以第一单元的知识须有整体的把握，也是对波的认识的渐进过程，从具体直观到抽象的认知过程。
第二单元：第四节至第七节。讲波的特有现象：反射、折射、衍射和干涉。
第二单元是对波的特性的认识，不仅是机械波的特性，也是波的一般特性，是电磁波、光波等后继学习的基础。
波的反射和折射，在试验修订本中有一节*内容，现行教材中该节内容删去，可以不讲，也可以在波的衍射教学之前作简单的说明或通过实验让学生有一定的了解，告诉学生波的反射和折射同光的反射和折射相似，同样遵循光的反射和折射定律。在光的传播这一章教材中，无论是必修还是选修，光的反射已不再单独成节，只是在光的折射这节教材中用小篇幅介绍一下有关光的反射。
衍射、干涉现象在光的干涉、衍射中还会涉及，学生在这部分学习时的第一认识将影响后续学习，应力求建立清晰、准确的认识。
第三单元：第八节。介绍多普勒效应。
第三单元多普勒效应这节教材在试验课本中有*，作为选学内容，现行教材中作为必学内容，与传统内容相比，多普勒效应又是一个新的知识内容，所以这节教材在教学过程中不能忽视。
第四单元：第九节。介绍次声、超声波及其应用
从教学大纲的要求和考纲说明来看，关于声波的要求有不同，但声波对于完整认识机械波来看是必要的，对于认识“次声、超声波及其应用”也是必要的，所以建议相关内容的教学过程中作必要的介绍，包括声波反射、衍射的介绍和干涉、声音的共鸣的实验演示。
对次声、超声波及其应用的了解，有助于学生对科学、技术和生活实际的联系，增加学生的科技意识和联系实际的能力。
（三）目标与要求
限于时间，知识教学目标要求参见教参。但须展示教学大纲的对于必修加选修的规定：
内 容 和 要 求 演   示
机械波（A）横波和纵波（A） 横波的形成和传播
纵波的形成和传播
横波的图象（B） 
波长、频率和波速的关系（B） 
波的叠加（A） 水波的反射和折射
水波的干涉和衍射
声波的干涉、声音的共鸣
*驻波
波的干涉和衍射现象（A） 
*驻波 
多普勒效应（A） 
超声波及其应用（A） 
注意到知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的三维教学目标要求，本章关于机械波的形成与传播过程的认识是一个体现过程与方法这一教学目标较为典型的章节，通过一系列实验、观察，认识多个质点同时又不同步的运动，经分析与抽象来理解从整体上看波在空间的传播。
有条件的学校，通过水波的反射和折射、声波的干涉、声音的共鸣、*驻波的实验演示分析及利用多媒体手段展示自然和生活实例，对学生进行和谐、对称的美学教育，既联系了生活实际，又让学生感受了物理基础理论的价值，受到价值观的教育熏陶。
有关波的反射、折射、衍射和干涉体现波的共性的知识，适当展开介绍这些共性知识与电磁波、光波的认识关系，为后继教学作一些很必要的铺垫，以引起学生的注意。
（四）重点和难点
从单一质点的振动到多个质点同时又不同步的振动，从整体上看，形成波在空间的传播，而在局部来看，波形又在周期性变化，这对学生的理解力和空间想象力有较高的要求。所以波的机械波的形成过程及描述是本章的一个重点。同时对于波的认识，还需要对波的图象、波长、频率和波速这三个物理量的正确理解、以及波的反射、折射、干涉、衍射现象所表现的波的特性的认识和理解来完成。可见这些知识构成了本章的重点，也由此确定本章有关章节的重点。多普勒效应是相对以往教材增加的知识内容，它的出现将使学生对于波的认识更加丰满，对于新增加的知识内容，也应引起教学的重视。
从波的形成过程来看，对于学生的理解既需要空间想象，又需要抽象思维，所以是一个教学难点；
而从实际的波抽象为波的图象，让学生认识波的图象是波的一种数学表示，从而理解简谐波及其图象这一关于波的理想模型，并且区别于质点的振动图象，这是本章的又一个教学的难点；
由波源的振动频率和介质所决定波速影响波长，学生的理解 ，这也是学生学习的一个难点；
帮助学生认识波是振动的传播，让学生理解波传播的是振动的形式和能量，而不发生振动质点的迁移，在由波的传播方向判断某一质点的振动方向问题中，学生出现错误频度较高，说明这是学生学习的一个难点；
波在空间的传播的实际应用问题中，由于时间的周期性、空间的周期性和方向的双向性所决定的多解性问题，这需要学生全面和周密的思考，也就构成了本章的重点和难点；
在波的干涉内容的学习中，学生在理解波的叠加的一般原理到满足相干条件下的干涉的理解又一次面临波是振动的传播这一认识和理解的制约，形成学习的难点。
总之，本章知识的教学面对重点和难点较为集中的状态，通常突出重点、分散难点的教学原则显现出较高的操作难度。在教学过程中，有些是教学的难点，有些是学习的难点，有些是教与学的共同难点，需在教学准备和教学设计中引起足够的重视。
二、教 法 建议
一、关于波的知识的引入和波的形成的教学
从课本本章的前言来看，为学生提供必要而又丰富的资源素材，让学生对于波有较为充分的感性认识，从水波、声波、地震波、无线电波乃到光波的介绍，说明机械波是波动形式中的一种，但可以从机械波的认识，形成对波及其特性的一般认识，以引起学生对机械波学习的关注。
运用多媒体手段，让学生在生动真实的情景下，感受波的是一种普遍存在的自然现象。
从自然现象回归实验模拟，以绳波演示单个脉冲波，以弹簧演示纵波，引导学生观察绳波、弹簧波演示中波源的运动特征和及波形在空间所发生的传播现象；引导学生从实验现象中认识波的传播需要介质；引导学生认识波传递运动形式的同时，也传递能量和信息，而未发生振动质点的迁移；
如有可能通过波动箱演示各个时刻的波形，再运用多媒体手段，对于实验模拟转移为课件动画的模拟，引导学生对实验现象进行进一步观察认识波源的振动与波的传播的关系、认识由波源带动后续质点振动，波源和后续质点相继起振的振动方向相同；认识单个质点的运动多个质点同时又不同步的运动、认识振动方向和传播方向关系所决定的横波和纵波的特征、认识波峰、波谷和密部、疏部；介绍声波、地震波。
    提供资源，引导发现，完成对波的第一认识。
二、波的图象的教学
波的图象是这一章的教学重点之一，也是教学的难点．教学中应根据实际情况，采用多种教学手段如通过波动箱模拟演示各个时刻的波形及由此形成的多媒体动画课件，以横波为例说明波的图象表现的物理意义，帮助学生在头脑中形成正确的物理图景。逐步帮助学生完成这一认识过程，并通过这一过程提高学生的抽象思维能力。
适时提出波的图象与学生学过的振动图象的比较，引导学生认识两种图象的区别，可以通过列表比较予以说明，再通过比喻，让学生产生直观的认识。如振动图象可视为一个人成长历程，而波动图象犹如此刻用照相机为全班同学留下的一个形态各异的写照；
运用多媒体课件将各个不同时刻的波形在同一画面的展现，引导学生认识波的时间和空间周期性；引导学生观察t时刻及t＋Δt时刻（Δt→0）的波形微移，在波的图象上认识质点的振动方向和波的传播方向的关系。在可能的情况下，也可以逐步让学生认识波的传播方向、某时刻的波形与该时刻各质点的振动方向三者之间的关系，用波的成因法、上下坡法或微平移法在已知两个因素的情况下判断第三个因素；
运用动画手段表现纵波传播过程中，不同位置的质点在某时刻的位移，从而进一步说明波的图象的物理意义，这一过程既是为认识波的图象所必要，又不占用过多的教学时间，同时通过直观的操作，也引起学生兴趣，同时加深对波的图象的理解。
运用多媒体课件，提供直观的教学情景，让学生在观察中认识，在论文中发现，在发现中归纳。
三、波长、频率和波速
通过波动箱模拟演示波源振动一个周期形成的波形及由此形成的多媒体动画课件认识波长；
从多媒体动画课件及波的图象认识振动位移总是相等的相邻的质点之间的距离为一波长，更直观地看到相邻波峰或波谷之间、相邻密部或疏部之间的距离为一波长，提示学生思考为什么要强调“总是相等”、“相邻”；
从波的成因提示学生思考波源的振动周期（频率）与波的周期（频率）的关系，从而理解波速的概念，即既要知道波速与波长频率的数量关系，还要知道波的传播速度是由介质本身决定的，波从一种介质进入另一种介质，波速改变，频率不变，波长随波速而变化。
四、波的多解问题
通过第一单元的学习，学生初步形成对波的基本认识，在认识波长、频率和波速的三者关系后，进一步拓宽加深对波的图象的认识，引导学生从波的图象中获取信息，结合波的图象的周期性、传播方向的双向性问题进行有关问题的讨论或计算，让学生在此过程中进一步理解、巩固掌握第一单元的知识。
这类问题主要表现为波的多解问题，这对于学生来说是学习的难点。从学科教学的角度来看，也是学生思维能力培养的一个极好机会，这类问题要求学生善于捕捉信息，准确把握题设条件，综合运用波的形成、特点、规律、物理量以及波和振动的区别、联系，结合波的图象来完整解决问题。
关于波的多解问题的构成有如下几个方面：
1．空间周期性形成多解
2．时间周期性形成多解
3．方向不确定形成多解
4．质点间距一定而波长不确定形成多解
5．空间周期性和时间周期性组合形成多解
重视这一问题的教学，不是为了让学生针对几类问题形成一一对应的解题方案，而是体现知识与技能、过程与方法的教学目标，让学生逐步在运用知识的过程中得到技能、方法、策略的培养和感悟。所以教学过程中也不宜在短时间内要求一次性完全掌握以上几类问题的求解，但对于本节教材中的例题，宜充分利用。例题的两个要求是在确定波的传播方向的条件下讨论波速和周期，引导学生从空间周期性和时间周期性来注意图中提供的信息，并表达这种空间和时间周期性的特征，从而理解“波的周期大于0.5s”条件。可对本例拓展，即将题设的传播方向条件和“波的周期大于0.5s”删去，让学生思考讨论在这种条件下，该如何认识这个波形图线，该如何分析求解。
五、波的特有现象——干涉、衍射的教学
这一单元的教学的着眼点在于让学生理解这些现象是所有波动形式的共同特征，因为这是认识电磁波、光波的基础，而且波的知识在近代物理中具有重要意义。
对于波的衍射、干涉，教学的关键仍在于实验的演示、观察和发现的引导，从而认识衍射、干涉现象，理解衍射、干涉的条件。为了有助于对实验现象的分析研究，在真实的实验观察的同时运用课件进行模拟，以便于进行分析研究的控制。
理解衍射条件时须指出，一切波都能发生衍射，仅有明显与不明显的区别。
理解波的干涉的基础是认识波的叠加。演示现象是解释波的叠加的基础，解释波的叠加的出发点是波传播的是振动的形式和能量、振动的叠加。几列波相遇区域中各质点的振动是各列波单独存在时引起的振动的合运动，非干涉的叠加各质点的合振动振幅随时间而变化，而干涉现象中，叠加区域各质点均以稳定的振幅振动。
在波的干涉的教学过程中，加强区域质点的的振动情况的介绍也是教学中不容忽视的，这是学生的学习难点。观察实验时，应注意“动”“静”结合，“动”表现在画面上“黑纹”或“亮纹”随时间而滚动，因为加强和减弱是指该区域的质点的振幅增大或减小，它们处于振动过程中。
在两列波发生干涉区域中某点是加强还是减弱的条件判断，可以视学生情况而定。
处理这一单元的知识教学，要充分利用通过实验展示真实的现象和在此基础上的多媒体课件进行的观察、分析，逐步深入的研究，揭示其特征、条件。
六、多普勒效应
以声波为例介绍多普勒效应，它比较常见，但学生不会注意更不会意识到这就是多普勒效应，所以提供直观的生活实例，让学生认识生活中熟悉的物理现象，既为了教学的需要，也能引导学生关注生活中的物理现象。对于这一现象的解释把握以下几点：
1．声源相对静止，声源单位时间内发出的波数与观察者所接收到的波数
2．声源与观察者相对靠近，声源单位时间内发出的波数与观察者所接收到的波数
3．声源与观察者相对远离，声源单位时间内发出的波数与观察者所接收到的波数
通过以上几个步骤对多普勒效应做定性的分析说明，使学生对多普勒效应有初步的了解，教学中要注意不宜引申。
利用多媒体影像让学生看到运动中声源和观察者听到的声音
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