薛勇琴 黃樹清

摘? 要：筆者設(shè)計并制作了角速度演示儀，對高中物理《勻速圓周運動》這一章節(jié)的教學(xué)進行改進，利用該教具并結(jié)合三個問題，進行實驗探究，讓學(xué)生深刻體會角速度引入的必要性，培養(yǎng)學(xué)生實驗探究的能力，并在實驗探究過程中，讓學(xué)生自然而然地建立角速度的概念。

關(guān)鍵詞：勻速圓周運動;角速度;演示儀

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）12-0047-3

“勻速圓周運動”是中學(xué)物理教學(xué)中一個轉(zhuǎn)折點，從勻速直線運動到勻變速直線運動，再到曲線運動。勻速圓周運動是最常見的一種曲線運動。在學(xué)習(xí)勻速圓周運動之后，學(xué)生描述物理過程將從單純線量轉(zhuǎn)入線量和角量同時。角量的引入可以讓學(xué)生領(lǐng)悟角量的邏輯關(guān)系與線量基本一樣，拓寬了學(xué)生的思維，同時角位移的引入可以幫助學(xué)生理解天體運動的追趕問題[1]。因此，在課堂中要重視“角速度”的教學(xué)。然而，現(xiàn)行教材中編排的不足，導(dǎo)致很多學(xué)生無法理解引入角速度的必要性。為了解決這一問題，筆者以教材中的齒輪轉(zhuǎn)動模型為出發(fā)點進行設(shè)計與改進，最終制作出了角速度演示儀。利用教具讓學(xué)生深刻體會角速度引入的必要性，促進概念的生成。

1? ? 現(xiàn)行教材編排中的不足

在魯科版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書，即《物理（必修2）》第四章《勻速圓周運動》的第一節(jié)《勻速圓周運動快慢的描述》中，對于勻速圓周運動快慢的描述分別是這樣敘述的：

在線速度中：做勻速圓周運動的物體通過的弧長與所用時間的比值可以描述勻速圓周運動的快慢;

在角速度中的表述是：也可以用半徑轉(zhuǎn)過的角度與所用時間的比值來描述物體轉(zhuǎn)動的快慢。

基于此，學(xué)生就會先入為主地認(rèn)為：既然線速度與角速度這兩個物理概念都是用來描述勻速圓周運動的快慢，那僅用線速度來描述就可以了，不需要從兩個角度進行描述。

教材中為了節(jié)省篇幅，對角速度的引入進行了簡化處理，只通過一張自行車齒輪轉(zhuǎn)動模型圖片來引入角速度。教材中的這種編排處理，學(xué)生無法體會到引入角速度的必要性。

2? ? 引發(fā)認(rèn)知沖突，體會必要性

在學(xué)生學(xué)習(xí)了線速度相關(guān)知識之后，教師提出問題1：我們知道線速度可以描述勻速圓周運動的快慢，那僅用線速度能否描述物體轉(zhuǎn)動的快慢？

學(xué)生對該問題進行思考與討論，并提出自己的觀點。學(xué)生的觀點主要有：

學(xué)生觀點1：可以的，根據(jù)剛剛自行車的現(xiàn)象，我們知道在相同時間內(nèi)，通過的弧長越長，說明運動得越快。

學(xué)生觀點2：不可以。因為剛剛的自行車實驗比較特殊，它是有一定的前提條件的。

基于學(xué)生的觀點，可以看出學(xué)生對于這個問題是存在疑惑的。教師可以鼓勵學(xué)生大膽質(zhì)疑，并引導(dǎo)學(xué)生可以用實驗進行探究。本次實驗運用自制教具角速度演示儀來演示。角速度演示儀是從教材中的齒輪模型出發(fā)，制作而來。如圖1所示，該教具是用電機帶動大圓盤勻速轉(zhuǎn)動，大圓盤通過皮帶帶動小圓盤勻速轉(zhuǎn)動，連接兩圓盤的皮帶不打滑。

教師進行實驗操作并引導(dǎo)學(xué)生觀察，在兩圓盤邊緣各取一點A、B，打開實驗開關(guān)，轉(zhuǎn)動圓盤一定時間之后關(guān)閉，實驗現(xiàn)象如圖2所示。學(xué)生通過觀察兩圓盤的轉(zhuǎn)動情況，得出結(jié)論：小圓盤轉(zhuǎn)動得比大圓盤快。緊接著教師用卷尺測量出A、B兩點在剛才那段時間內(nèi)通過的弧長，學(xué)生驚訝地發(fā)現(xiàn)A、B兩點剛剛通過的弧長是相同的，這就說明A、B兩點的線速度一樣，但是觀察得到的結(jié)果卻是小圓盤轉(zhuǎn)動得快，由此引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。學(xué)生經(jīng)過思考，推理分析得到：對于轉(zhuǎn)動快慢不同的物體，線速度大小也可能相等，所以僅用線速度無法準(zhǔn)確描述物體轉(zhuǎn)動的快慢。

在探究過程中，根據(jù)兩次觀察到的實驗結(jié)果，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生強烈的求知欲，調(diào)動學(xué)生的好奇心，讓學(xué)生主動思考分析，體會引入新概念的必要性，提高了教學(xué)效果，增強了學(xué)生思維活動的自覺性和主動性。

3? ? 類比線速度，建立新概念

學(xué)生根據(jù)剛剛的實驗探究發(fā)現(xiàn)原有的線速度不足以描述物體轉(zhuǎn)動的快慢，為了解決該問題，需要引入一個新的物理量來描述物體轉(zhuǎn)動的快慢。

教師緊接著提出問題2：類比線速度，是否能建立一個新的物理量？引導(dǎo)學(xué)生回顧線速度的引入：“先通過觀察發(fā)現(xiàn)自行車同一輻條上兩點在相同時間內(nèi)繞軸心轉(zhuǎn)過的角度一樣，但通過的弧長不一樣，之后將物體通過弧長與時間的比值定義為線速度?！?/p>

教師引導(dǎo)學(xué)生從中提煉出關(guān)鍵信息“相同時間繞軸心轉(zhuǎn)過的角度一樣”“通過的弧長不一樣”，以此類比于先前實驗探究觀察到的現(xiàn)象，學(xué)生提出觀點：剛剛的實驗探究中兩點相同時間通過的弧長一樣，所以我們可以觀察這兩點繞軸心轉(zhuǎn)過的角度之間存在著什么關(guān)系。

為了驗證學(xué)生的觀點，教師進行第二個實驗探究，在實驗裝置上標(biāo)出兩圓盤的圓心O、O'，把O、O'分別與A、B連接起來，并重新打開開關(guān)。讓圓盤轉(zhuǎn)動一定時間之后關(guān)閉開關(guān)，實驗現(xiàn)象如圖3所示。

學(xué)生觀察得到：在相同時間內(nèi)，A、B兩點通過的弧長相同，但是繞軸心轉(zhuǎn)過的角度不一樣，繞過的角度越大，轉(zhuǎn)動得越快。

教師肯定學(xué)生觀察的現(xiàn)象，并讓學(xué)生類比于線速度的定義，構(gòu)建出角速度的定義。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有的學(xué)習(xí)經(jīng)驗來探究得到新的知識。類比遷移的學(xué)習(xí)過程培養(yǎng)了他們的探究能力，幫助學(xué)生快速找到新舊知識之間的聯(lián)系，自然而然地建立角速度的概念，完善學(xué)生自身的知識系統(tǒng)，提高課堂的有效性。

4? ? 猜想與驗證，探究二者關(guān)系

學(xué)生有了角速度與線速度的概念之后，教師讓學(xué)生進行深入一步的思考，問題3：角速度與線速度之間存在什么關(guān)系嗎？部分學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)，在第一個實驗中，當(dāng)線速度一樣的情況下，半徑越小，角速度就越大。

教師追問：那反過來，當(dāng)角速度一樣的情況下，半徑和線速度之間是否存在什么關(guān)系呢？

學(xué)生提出猜想：當(dāng)角速度一樣的情況下，半徑越大，線速度越大。

為了驗證學(xué)生的猜想，教師在實驗裝置上標(biāo)出C點，并重新打開開關(guān)。讓圓盤轉(zhuǎn)動一定時間之后關(guān)閉開關(guān)，實驗現(xiàn)象如圖4所示。

學(xué)生觀察分析出：對于兩個圓盤邊緣上的A、B兩點，在線速度是一樣的前提下，半徑越小，角速度就越大;在同一圓盤上，其角速度大小相同，但是線速度大小卻有所不同，而且半徑越大，線速度大小也就越大。

在課堂中，教師應(yīng)該鼓勵學(xué)生大膽猜想，小心求證。在猜想和求證的過程中逐漸提升思維能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維。在探究過程中，積極思考，形成自己的觀點，帶著思考探究二者之間的關(guān)系，讓學(xué)生在實驗中感受科學(xué)方法與思想在科學(xué)探究中的作用。

5? ? 結(jié)束語

角速度演示儀可以較好地彌補現(xiàn)行教材中的不足，其演示的實驗現(xiàn)象直觀明顯、操作方便，能夠讓學(xué)生自主探究，提高課堂的參與度。讓學(xué)生在探究過程中，促進角速度概念的生成，從而提高課堂的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

參考文獻：

[1]李悶心.重視概念建立? 發(fā)展核心素養(yǎng)——“勻速圓周運動快慢的描述”教學(xué)設(shè)計[J].物理教學(xué)，2017， 39（12）：46-49，69.

[2]張婷玉，陳清梅，邢紅軍.圓周運動的高端備課[J].首都師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，36（03）：22-24.

[3]徐志闊.自制教具在高中物理演示實驗中的應(yīng)用探討[J].中國教育技術(shù)裝備，2019（17）：116-117.

（欄目編輯? ? 王柏廬）