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        用進(jìn)階探究突破高中物理實驗教學(xué)難點①
        ——以“向心力”教學(xué)為例

        2022-01-05 06:01:16施生晶鄭昌洋
        物理之友 2021年10期
        關(guān)鍵詞:向心力角速度乒乓球

        施生晶 鄭昌洋

        (福建省三明市第二中學(xué),福建 三明 365000)

        向心力是高中物理的重點和難點,教材要求通過實驗探究影響向心力大小的因素。在實際教學(xué)中,因?qū)嶒炂鞑牡闹萍s,有時很難達(dá)到教材的要求。在教學(xué)實踐中,通過定性、半定量、定量的方法進(jìn)行科學(xué)探究,突破教學(xué)困境,可幫助學(xué)生理解向心力,對影響向心力的相關(guān)因素有更加清楚的認(rèn)識。在實驗探究過程中,教師要制訂探究方案,促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí),發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力和實驗探究能力。

        1 自制教具,定性感知

        實驗:利用乒乓球提礦泉水瓶

        實驗器材:如圖1所示,乒乓球1、乒乓球2(裝沙子)、圓珠筆套、細(xì)繩、多個礦泉水瓶(水的質(zhì)量不同)。

        圖1

        學(xué)生演示:手握筆套,使乒乓球在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(表1)。

        表1

        師生互動:讓兩個學(xué)生轉(zhuǎn)動乒乓球,在實驗中感知向心力。學(xué)生觀察到提起礦泉水的難易程度不同,跟轉(zhuǎn)動的技術(shù)有關(guān)嗎?學(xué)生交換實驗裝置,轉(zhuǎn)動乒乓球,觀察到:剛才容易提礦泉水的同學(xué),現(xiàn)在卻做不到。學(xué)生會思考:是什么原因影響了提礦泉水效果?他們急切想知道結(jié)論,激發(fā)了學(xué)生的求知欲。

        現(xiàn)象分析:礦泉水瓶被提離桌面,是受到繩子的拉力,拉力使乒乓球做圓周運(yùn)動。

        設(shè)計意圖:利用乒乓球提礦泉水瓶,實驗簡單、有趣,通過演示實驗,學(xué)生獲得感性認(rèn)識,初步體驗向心力;調(diào)動學(xué)生好奇心,當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)乒乓球質(zhì)量(裝沙子)不同,產(chǎn)生拉力不同,對探究向心力大小的愿望強(qiáng)烈。

        引導(dǎo)探究:學(xué)生討論交流,提出用控制變量的方法研究影響向心力大小的因素,設(shè)計“影響提礦泉水拉力大小的因素”探究方案(表2),并動手進(jìn)行實驗探究。

        表2

        教師設(shè)置利用乒乓球提礦泉水實驗,創(chuàng)設(shè)物理學(xué)習(xí)情境,確定學(xué)習(xí)進(jìn)階目標(biāo),學(xué)生積極參與3級進(jìn)階活動:看→猜→做,讓學(xué)生在實驗過程中體會成功的喜悅;培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析和解決問題的能力,提升學(xué)生的關(guān)鍵能力,領(lǐng)會科學(xué)探究方法,提高科學(xué)思維能力,讓物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)在探究過程中落地生根。

        2 分組實驗,半定量探究

        分組實驗是學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行的小組合作完成實驗的教學(xué)形式,學(xué)生動手操作,觀察現(xiàn)象、收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論,在實驗過程中一直處于主動學(xué)習(xí)的狀態(tài)。分組實驗使學(xué)生產(chǎn)生探究物理現(xiàn)象與規(guī)律的興趣,能培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與探究能力,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

        實驗器材:向心力演示器、鐵球、鉛球(圖2)。

        圖2

        實驗探究:介紹演示器的結(jié)構(gòu)和功能,學(xué)生動手操作,熟悉儀器的使用,進(jìn)行猜想。

        通過實驗操作,學(xué)生體會到:做圓周運(yùn)動的物體需要向心力,會更有根據(jù)猜想影響向心力大小的因素。學(xué)生通過思考、討論、交流,提出猜想。

        本實驗采用什么研究方法?如何進(jìn)行控制變量?需要記錄什么數(shù)據(jù)?如何比較向心力的大???引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計探究方案(表3),小組分工合作進(jìn)行實驗探究。

        表3

        師生互動:小組展示數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù),交流探究成果,得出結(jié)論。

        提出問題:各小組的實驗數(shù)據(jù)為何存在差異?對實驗裝置的改進(jìn)有什么建議?

        學(xué)生回答:不同小組搖手柄的速度不同,該裝置只能粗略讀露出格子數(shù)。在實驗中,測出力、線速度或角速度大小,就能定量研究各物理量之間的關(guān)系。

        提出問題:為了測量力、線速度或角速度大小,需要哪些器材?

        改進(jìn)方案:測量力用彈簧測力計、力傳感器;測量線速度用計時器與紙帶、光電門傳感器。

        提出問題:測力和線速度的裝置要如何安裝?

        師生互動:學(xué)生提出不同的安裝方案,教師要及時針對可能出現(xiàn)的問題,指導(dǎo)學(xué)生解決。

        在師生交流過程中,學(xué)生領(lǐng)悟了科學(xué)探究的方法;在思維的升華中,提升了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力,培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力;布置課題,讓能力強(qiáng)的學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí),激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性,感受研究的樂趣。

        利用向心力演示器進(jìn)行分組實驗,可操作性高,學(xué)生積極參與,并樂于探究,能提高學(xué)生的動手能力,讓學(xué)生體驗成功的喜悅;在教師引導(dǎo)下,學(xué)生在探究中發(fā)現(xiàn)問題,層層遞進(jìn),進(jìn)行深度學(xué)習(xí),敢于質(zhì)疑,思考更好的解決方案,并表達(dá)自己的想法,有利于提高學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力。

        3 創(chuàng)新實驗,定量探究

        3.1 實驗創(chuàng)新

        近些年,很多教學(xué)研究者對定量探究向心力大小進(jìn)行了探索,自制了各類實驗裝置,實現(xiàn)對角速度和向心力的測量。具有代表性的新式測量裝置把單片機(jī)、藍(lán)牙無線、步進(jìn)電機(jī)、手機(jī)投屏、電機(jī)遙控等現(xiàn)代信息技術(shù)手段應(yīng)用到向心力實驗儀中,[1][2]在實際教學(xué)中達(dá)到了預(yù)期效果。這些開發(fā)的新儀器,個人制造困難、器材較笨重、實驗操作繁瑣、測量原理不直觀、測量精度有待提高,在處理數(shù)據(jù)時都用到Excel軟件,師生需要一定的時間繪制圖像,才能得出結(jié)論。DIS系統(tǒng)可視性強(qiáng)、操作方便、效率高、測量誤差小、數(shù)據(jù)處理簡潔,可以提髙實驗的質(zhì)量,有效提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。[3]

        3.2 DIS應(yīng)用

        實驗器材:向心力實驗器、力傳感器、光電門傳感器、電機(jī)控制器、計算機(jī)(圖3)。

        圖3

        測量裝置:標(biāo)有質(zhì)量的槽碼若干個;標(biāo)有刻度的旋臂,能直接讀出轉(zhuǎn)動半徑;電機(jī)控制器直接顯示轉(zhuǎn)動的角速度(圖4),能靈活準(zhǔn)確地改變槽碼做勻速圓周運(yùn)動的角速度;用力傳感器測槽碼做圓周運(yùn)動的向心力大小。

        圖4

        3.3 實驗過程

        探究實驗一:保持物體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動半徑不變,探究向心力大小F與角速度ω的關(guān)系。

        (1) 打開“DISLab向心力Ⅱ”軟件,點擊“研究向心力與角速度的關(guān)系”。

        (2) 設(shè)置槽碼質(zhì)量為0.02kg,轉(zhuǎn)動半徑為0.1m,調(diào)整電機(jī)控制器旋紐,使物體轉(zhuǎn)動的角速度為6.07rad/s。

        (3) 物體轉(zhuǎn)動穩(wěn)定后,點擊“開始記錄”,數(shù)據(jù)框?qū)崟r顯示向心力F隨t變化的動態(tài)圖像,依次點擊“停止記錄”“選取F值”,在圖線顯示區(qū)中,選取F穩(wěn)定的一段(圖5);再點擊“記錄數(shù)據(jù)”記錄第1組數(shù)據(jù)(表4);最后點擊“清除本次記錄”。

        圖5

        (4) 調(diào)整電機(jī)控制器旋紐,改變物體轉(zhuǎn)動的角速度,重復(fù)(3)的操作,記錄第2組數(shù)據(jù),共記錄6組數(shù)據(jù)(表4);

        表4 向心力與角速度的關(guān)系(m=0.02kg,r=0.1m)

        (5) 點擊“F-ω圖像”,在圖線顯示區(qū)中得到數(shù)據(jù)點在坐標(biāo)系內(nèi)的分布圖,顯示F和ω的關(guān)系,數(shù)據(jù)點的分布具有拋物線特征(圖6)。如何將非線性圖像轉(zhuǎn)化為線性圖像?

        圖6

        用“化曲為直”的方法,引導(dǎo)學(xué)生把ω轉(zhuǎn)為ω2后,點擊“F-ω2圖像”,在圖線顯示區(qū)中得到數(shù)據(jù)點在坐標(biāo)系內(nèi)的分布圖,顯示F-ω2的圖像,圖像清晰、直觀(圖7),數(shù)據(jù)點的分布是一條過原點的直線。

        圖7

        探究實驗二:保持物體的轉(zhuǎn)動半徑、角速度不變,探究向心力大小F與質(zhì)量m的關(guān)系。

        (1) 設(shè)置轉(zhuǎn)動半徑為0.1m,調(diào)整電機(jī)控制器旋紐,使物體轉(zhuǎn)動的角速度為10.12rad/s,槽碼質(zhì)量為0.01kg。

        (2) 重復(fù)探究一實驗(3)的操作,記錄第1組數(shù)據(jù)(表5)。

        (3) 改變槽碼質(zhì)量,重復(fù)(2)的操作,記錄第2組數(shù)據(jù),共記錄6組數(shù)據(jù)(表5)。

        表5 向心力與質(zhì)量的關(guān)系(r=0.1m,ω=10.12rad/s)

        (4) 數(shù)據(jù)處理,點擊“F-m圖像”,在圖線顯示區(qū)中得到數(shù)據(jù)點在坐標(biāo)系內(nèi)的分布圖,顯示F-m的圖像(圖8),數(shù)據(jù)點的分布是一條過原點的直線。

        圖8

        學(xué)生得出結(jié)論:當(dāng)物體的角速度、轉(zhuǎn)動半徑不變時,向心力大小F與質(zhì)量m成正比。

        探究實驗三:物體的質(zhì)量、角速度不變,探究向心力大小F與轉(zhuǎn)動半徑r的關(guān)系。

        (1) 設(shè)置槽碼的質(zhì)量m=0.02kg(圖9),調(diào)整電機(jī)控制器旋紐,使物體轉(zhuǎn)動的角速度為20.11rad/s,轉(zhuǎn)動半徑為0.03m。

        圖9

        (2) 重復(fù)探究一實驗(3)的操作,記錄第1組數(shù)據(jù)(表6)。

        表6 向心力與半徑的關(guān)系(m=0.02kg,ω=20.11rad/s)

        (3) 改變槽碼轉(zhuǎn)動半徑,重復(fù)(2)的操作,記錄第2組數(shù)據(jù),共記錄6組數(shù)據(jù)(表6)。

        (4) 點擊“F-r圖像”,在圖線顯示區(qū)中得到數(shù)據(jù)點在坐標(biāo)系內(nèi)的分布圖,顯示F-r的圖像,發(fā)現(xiàn)圖像沒有過原點。

        教師提出問題:為什么圖像不過原點?師生就實驗誤差進(jìn)一步討論,學(xué)生思考在實驗過程中出現(xiàn)的問題,提出:力或半徑的測量有誤差,進(jìn)而找出槽碼有一定形狀,不能當(dāng)成質(zhì)點,導(dǎo)致半徑測量誤差較大(圖9)。學(xué)生得出結(jié)論:在誤差允許的范圍內(nèi),數(shù)據(jù)點的分布是一條過原點的直線,當(dāng)物體的質(zhì)量、角速度不變時,向心力大小F與轉(zhuǎn)動半徑r成正比(圖10)。

        圖10

        實驗探究能力是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面,利用DIS系統(tǒng),實驗操作簡便、靈活、快捷,實驗機(jī)構(gòu)反應(yīng)靈敏,能實時對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,學(xué)生只需點擊鼠標(biāo),軟件就能快速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,結(jié)果以圖像的形式顯示,直觀地呈現(xiàn)各物理量之間的定量關(guān)系,學(xué)生對所研究的問題會有更加深入的了解,感受到信息技術(shù)的魅力,體驗到科學(xué)探究的樂趣。學(xué)生經(jīng)歷了定量實驗探究過程,養(yǎng)成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實事求是的科學(xué)精神,發(fā)展了科學(xué)探究的能力,養(yǎng)成了良好的科學(xué)思維習(xí)慣。

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