危淑虹 施生晶
摘? ?要:創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)有利于培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)。本文通過毛刷彎曲現(xiàn)象,實(shí)驗(yàn)探究:靜摩擦力提供向心力;利用自制教具定性探究:影響向心力大小的因素;利用朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)定量探究:向心力大小;通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)解決物理教與學(xué)困境,讓學(xué)生對(duì)向心力認(rèn)識(shí)更透徹,有效提升學(xué)生的科學(xué)探究素養(yǎng)。
關(guān)鍵詞:創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);學(xué)科素養(yǎng);向心力
物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科,成功的物理實(shí)驗(yàn),直接影響學(xué)生對(duì)于物理的概念與物理規(guī)律的理解。筆者設(shè)計(jì)了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn),結(jié)合信息技術(shù),對(duì)向心力進(jìn)行了科學(xué)探究,提升了課堂的教學(xué)效率,培養(yǎng)了學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)。
1? 實(shí)驗(yàn)探究:靜摩擦力提供向心力
制作背景:物體隨盤做圓周運(yùn)動(dòng)是常見模型。物體除了受重力和支持力外,還受到靜摩擦力,因?yàn)閷W(xué)生不能直接觀察到物體的受力,若直接給出靜摩擦力的方向,生硬地告知學(xué)生靜摩擦力為其提供向心力,學(xué)生難以理解,在后續(xù)相關(guān)問題的解答,學(xué)生常會(huì)出錯(cuò)。
實(shí)驗(yàn)器材:轉(zhuǎn)盤、毛刷、重物、細(xì)繩等。
學(xué)生演示:把重物放在毛刷上方,用細(xì)繩把毛刷、重物固定在轉(zhuǎn)盤上,轉(zhuǎn)動(dòng)手柄,讓毛刷、重物隨轉(zhuǎn)盤一起做圓周運(yùn)動(dòng)。
學(xué)生觀察:豎直位置的毛,向外發(fā)生彎曲,如圖1所示。
實(shí)驗(yàn)分析:當(dāng)物體隨著圓盤旋轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),學(xué)生觀察到:毛刷發(fā)生了彎曲,判斷物體具有相對(duì)滑動(dòng)的趨勢(shì),因此除了受到重力和支持力之外,還受到靜摩擦力的作用。通過分析毛刷彎曲的方向,從而得到物體在隨圓盤做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的靜摩擦力方向,引導(dǎo)學(xué)生分析物體在做圓周運(yùn)動(dòng):靜摩擦力時(shí)刻地指向轉(zhuǎn)動(dòng)平面的圓心。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論:物體隨著圓盤做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),物體受到的靜摩擦力,提供物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。
通過演示實(shí)驗(yàn),把不易被觀察到的靜摩擦力方向轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可以觀察到、可分析到的現(xiàn)象,有效地減少了學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)困難,很好地突破了教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
2? 定性探究:影響向心力大小的因素
實(shí)驗(yàn)器材:兩個(gè)乒乓球(一個(gè)裝沙子,一個(gè)未裝),兩根棉線,兩個(gè)筆套,兩個(gè)裝了部分水的礦泉水瓶,如圖2所示。
學(xué)生演示:手握筆套,快速將乒乓球旋轉(zhuǎn),讓乒乓球在水平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象:裝沙子的乒乓球做圓周運(yùn)動(dòng)后,礦泉水瓶被提起來了。在轉(zhuǎn)速相同的提前下,沒裝沙子的乒乓球做圓周運(yùn)動(dòng)并沒有將礦泉水瓶提起。
設(shè)計(jì)意圖:利用低成本的原材料即可自制實(shí)驗(yàn)器材,使學(xué)生們切身感受到現(xiàn)實(shí)生活中處處有物理。通過乒乓球提礦泉水瓶,讓學(xué)生體驗(yàn)、感受向心力的大小。
學(xué)生演示:教師引導(dǎo)學(xué)生演示3個(gè)實(shí)驗(yàn);加快轉(zhuǎn)速;增加繩長(zhǎng)(轉(zhuǎn)動(dòng)半徑);增大乒乓球質(zhì)量(裝沙子),讓學(xué)生觀察乒乓球提礦泉水瓶的效果,從而讓學(xué)生猜想影響拉力大小的因素。
學(xué)生猜想:學(xué)生討論交流,提出自己見解;乒乓球提礦泉水瓶的拉力大小跟球的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑、轉(zhuǎn)速(角速度)有關(guān)。
提出問題:如果我們能夠準(zhǔn)確地測(cè)出質(zhì)量、半徑、角速度等數(shù)值,再深入地研究它們之間的相互關(guān)系,一定更可靠,進(jìn)而引出本節(jié)課學(xué)習(xí)目標(biāo),形成定量的研究思路,制定一個(gè)探究的方案,要運(yùn)用"控制變量法"來研究向心力跟物體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑、角速度之間的相互關(guān)系。
3? 定量探究:向心力大小
3.1? 朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)器材:計(jì)算機(jī)、向心力實(shí)驗(yàn)儀、傳感器、調(diào)速器等,如圖3所示。
測(cè)量設(shè)備介紹:槽碼做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的半徑,在螺旋臂上能直接讀出;力傳感器直接測(cè)得槽碼做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力;電機(jī)控制器能改變槽碼做圓周運(yùn)動(dòng)的角速度(如圖4)。
實(shí)驗(yàn)裝置特點(diǎn):朗威數(shù)字化信息系統(tǒng),通過傳感器快速對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,利用DISLab向心力軟件,計(jì)算機(jī)智能化進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,實(shí)驗(yàn)效果好,有效提高課堂效率[ 1 ]。
3.2? 實(shí)驗(yàn)探究
探究一:向心力與角速度的關(guān)系
打開朗威DISLab向心力研究Ⅱ軟件,點(diǎn)擊"研究向心力與角速度的關(guān)系";在操作界面上輸入實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù):擋光柱寬度Δs、擋光柱到圓心的距離d、槽碼的質(zhì)量m=0.02 kg槽碼的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r=0.10 m(如圖5)。
3.3? 數(shù)據(jù)采集
調(diào)節(jié)角速度控制器(如圖4),將角速度調(diào)為6.07 rad/s,待懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定后,點(diǎn)擊"記錄數(shù)據(jù)",計(jì)算機(jī)屏幕顯示向心力大小隨時(shí)間變化的圖線,接著點(diǎn)擊"停止記錄"→"選取F值",將鼠標(biāo)移至圖線較穩(wěn)定的區(qū)域,從而選取F值,完成第一組數(shù)據(jù)的選取。再依次將角速度控制器調(diào)制為10.10 rad/s、14.12 rad/s、18.14 rad/s、20.13 rad/s、22.16 rad/s,按之前的步驟依次操作,待六組數(shù)據(jù)全部選取,得到圖線(如圖6)。
采集數(shù)據(jù)是學(xué)生必須掌握的一項(xiàng)重要技巧,也是今后繼續(xù)從事科學(xué)研究和實(shí)踐的一項(xiàng)重要基本功,通過對(duì)數(shù)據(jù)采集的過程,培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)性的認(rèn)識(shí)與嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)態(tài)度。
3.4? 數(shù)據(jù)處理與分析
3.4.1? 人工繪圖畫圖像
選用合適的坐標(biāo)軸比例,用圖6采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),在坐標(biāo)紙上用“X”符號(hào)進(jìn)行描點(diǎn),畫F-ω關(guān)系的圖像,為了能夠使圖線真實(shí)地反映兩個(gè)測(cè)量值之間的關(guān)系,要根據(jù)測(cè)量點(diǎn)與圖線的大體形狀合理地選取;因?qū)嶒?yàn)存在誤差,要仔細(xì)分析后決定取舍,畫出圖像(如圖7),可能是雙曲線、拋物線、圓弧一部分等。
教師引導(dǎo)學(xué)生用“化曲為直”的方法,將非線性圖像轉(zhuǎn)化為線性圖像[ 2 ]。同樣,利用圖6中的數(shù)據(jù)描點(diǎn),畫F-ω2關(guān)系的圖像(如圖8),使盡量多的點(diǎn)落在直線上,不在直線上的點(diǎn)大致均勻地分布在兩側(cè),偏離直線太遠(yuǎn)的點(diǎn),數(shù)據(jù)“異?!保`差較大。學(xué)生分析畫出的圖像,會(huì)得出:F與ω2成線性關(guān)系。
人工繪制圖像,能培養(yǎng)學(xué)生的記錄、處理、分析數(shù)據(jù)等實(shí)驗(yàn)技能,能培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致、耐心、求實(shí)的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng);通過圖像處理數(shù)據(jù)過程,能提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究素養(yǎng)。但人工繪圖占用大量時(shí)間,受課堂時(shí)間的限制,且誤差較大,目前教師較少使用。
3.4.2? 利用朗威DISLab軟件畫圖
利用朗威DISLab軟件畫圖。點(diǎn)擊窗口“F-ω”,得到圖像(如圖9),再點(diǎn)擊“F-ω2”,得到F-ω2圖像(如圖10)。
利用朗威DISLab軟件畫圖,設(shè)置相關(guān)物理量,實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)以表格的形式及時(shí)顯示,軟件能實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,結(jié)果以圖像形式顯示;探究者不需要讀數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù),不要人工繪圖,只需點(diǎn)擊鼠標(biāo),操作簡(jiǎn)單,短時(shí)間內(nèi)能完成實(shí)驗(yàn),可以集中精力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,有效提高實(shí)驗(yàn)效率。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論:槽碼的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不變,向心力F與角速度ω2成正比。
探究二:向心力與轉(zhuǎn)動(dòng)半徑的關(guān)系
打開朗威DISLab軟件,輸入實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù):槽碼的質(zhì)量0.02 kg,調(diào)節(jié)角速度為20.14 rad/s;把半徑調(diào)至0.04 m處。點(diǎn)擊“記錄數(shù)據(jù)”,按之前的步驟依次操作選取F值,測(cè)出第一組數(shù)據(jù)。將半徑依次調(diào)至0.06 m、0.08 m、0.10 m、0.11 m、0.12 m處,測(cè)出六組力F的數(shù)據(jù),點(diǎn)擊窗口“F-r”,得到F-r圖像(如圖11)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論:槽碼的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度保持不變,向心力F與轉(zhuǎn)動(dòng)槽碼的半徑r成正比。
探究三:向心力與質(zhì)量的關(guān)系
在朗威DISLab操作界面上輸入實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù):將質(zhì)量為10 g的槽碼放置在半徑為0.01 m的位置,調(diào)節(jié)角速度為10.12 rad/s。
點(diǎn)擊"記錄數(shù)據(jù)",按之前的步驟依次操作選取F值,測(cè)出第一組數(shù)據(jù)F=0.10 N;將槽碼質(zhì)量調(diào)至為20 g、30 g、40 g、50 g、60 g處,測(cè)出六組力F數(shù)據(jù),點(diǎn)擊窗口“F-m”,得到F-m圖像(如圖12)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)論:槽碼的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑、角速度都保持不變,向心力F與槽碼的質(zhì)量m成正比。
把朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)引入課堂,實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、快捷,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)快速測(cè)量及處理,實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖像的形式展示,學(xué)生可以直觀地判斷各個(gè)物理量之間定性的關(guān)系。得出結(jié)論:物體做圓周運(yùn)動(dòng),所需要的向心力F與物體的質(zhì)量m 、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r 、轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω2成正比。同時(shí)讓學(xué)生們?cè)谡n堂上體會(huì)到了探究的快樂,調(diào)動(dòng)和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,提高了學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。
在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,教師要融合信息技術(shù),不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn),通過創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn),讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀,不斷提高教學(xué)質(zhì)量,不斷促進(jìn)學(xué)生物理素養(yǎng)的發(fā)展,不斷促進(jìn)教師的專業(yè)成長(zhǎng)。
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3071500338265