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)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余雪妹.高中物理DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)整合初探[J].物理教學(xué)探討，2011（9）：29-32.

[2] 施生晶. 提升“科學(xué)探究”素養(yǎng)的教學(xué)實(shí)踐[J].中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備，2021（2）：15-18.

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