關(guān)于“向心力和向心加速度”DIS實驗的探究

摘 要：探究性學(xué)習(xí)是指以課題為載體，以學(xué)習(xí)和應(yīng)用基本研究方法為目標，以個體和合作探究、體驗為途徑的學(xué)習(xí)活動，其實施形態(tài)主要是：有指導(dǎo)的學(xué)生自主活動。探究性學(xué)習(xí)包含以下步驟：問題提出→實驗探究→教學(xué)總結(jié)。將DIS實驗引入課堂教學(xué)，不僅把信息技術(shù)和物理實驗教學(xué)有機的整合在一起，更重要的是貫穿和落實了課改教學(xué)理念。本文通過老師提出問題，學(xué)生經(jīng)歷探索勻速圓周運動物體的向心力和物理質(zhì)量、運動半徑和角速度的關(guān)系的過程，感受科學(xué)探究的方法，培養(yǎng)學(xué)生抽象思維能力和實驗探究能力。

關(guān)鍵詞：向心力； DIS實驗； 探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2013）02-047-002

一、問題的提出

向心力和向心加速度的教學(xué)是高中階段物理教學(xué)的一個難點，學(xué)生理解起來比較抽象。所以可以結(jié)合DIS實驗使學(xué)生能夠真正理解其概念。要讓學(xué)生理解向心力的大小和哪些因素有關(guān)系呢？我們怎么樣來研究呢？實驗中應(yīng)如何控制變量？實驗需要觀察記錄什么呢？根據(jù)學(xué)生討論可以確定以下實驗步驟：

二、實驗探究

實驗?zāi)康?研究向心力與質(zhì)量、半徑和角速度的關(guān)系。

實驗原理 使物體做圓周運動的力叫向心力，向心力的大小與物體的質(zhì)量、角速度的平方、半徑成正比，即F=m？棕2r。

實驗器材 朗威DISLab、計算機、DISLab向心力實驗器、物理支架等。

實驗步驟

⑴將光電門傳感器和力傳感器分別接入數(shù)據(jù)采集器；

⑵按實驗裝置圖將兩個傳感器固定在向心力實驗器上。實驗器的有關(guān)數(shù)據(jù)：擋光桿直徑0.005m、兩砝碼質(zhì)量分別為0.02kg和0.01kg，擋光桿到軸心的距離為0.14m。

⑶調(diào)節(jié)做圓周運動的物體的砝碼的半徑是0.06m，選擇其質(zhì)量為0.02kg。

⑷打開“計算表格”窗口，點擊開始，轉(zhuǎn)動實驗器的懸臂，記錄F，t數(shù)據(jù)，點擊公式，輸入線速度和角速度的計算公式，得到計算結(jié)果。

⑸點擊“繪圖”，選取X軸為“ω”，Y軸為“Fn”，得到數(shù)據(jù)點在坐標內(nèi)的分布圖（圖2）。分別進行一次擬合、二次擬合和三次擬合，發(fā)現(xiàn)二次擬合十分準確，可見向心力的大小與角速度的平方成正比。如圖3所示。

⑹為了進一步的說明向心力的大小和角速度的平方成正比，可以先計算出角速度平方。再在“繪圖”中選取X軸為ω2，Y軸為Fn，點擊線性擬合，擬合圖線是過原點的直線，從而更一步證明這一關(guān)系。如圖4所示。

怎么來控制質(zhì)量（m）和角速度（？棕）一定，在圖象上得到向心力和半徑的關(guān)系呢？

⑺調(diào)節(jié)做圓周運動物體的砝碼的半徑是0.12m，選擇質(zhì)量仍為0.02kg，重復(fù)上述步驟，開始測量。得到第二組實驗數(shù)據(jù)，把第一次得到的圖線和第二次得到的圖線進行比較，用軟件“顯示坐標”動能，比較角速度（ω）相同時兩條圖線Fn的大小，可以從圖線上（圖5）比較出來，半徑分別是0.06m和0.12m所對應(yīng)的向心力是1：2的關(guān)系。可見向心力的大小與半徑成正比。

怎么來控制半徑（r）和角速度（ω）一定，在圖象上得到向心力和質(zhì)量的關(guān)系呢？

⑻調(diào)節(jié)做圓周運動物體的砝碼的半徑是0.12m，選擇質(zhì)量是0.01kg，重復(fù)上述步驟，開始測量。得到第三組實驗數(shù)據(jù)，把第一次得到的圖線和第三次得到的圖線進行比較，用軟件“顯示坐標”動能，比較角速度（ω）相同時兩條圖線Fn的大小，可以從圖線上（圖6）比較出來，質(zhì)量分別是0.01kg和0.02kg所對應(yīng)的向心力是1：2的關(guān)系。可見向心力的大小與質(zhì)量成正比。

實驗結(jié)論 經(jīng)過分析比較得出結(jié)論：向心力正比與物體的質(zhì)量、角速度的平方、物體做圓周運動的半徑。從而可以根據(jù)牛頓第二定律得出向心加速度a=？棕2r。

三、教學(xué)總結(jié)體會

1.DIS實驗使一些物理實驗變得可操作性。DIS不但能替代打點計時器、彈簧秤、溫度計、壓強計等許多傳統(tǒng)儀表，而且能測量傳統(tǒng)儀表無法測量的物理量，如直接測量瞬時速度（光電門）、磁感應(yīng)強度（霍爾傳感器）、微電流（微電流傳感器）等。即使替代也不是簡單的功能重復(fù)，而是大大提高了測量范圍、精度、速度，

這為解決電磁學(xué)實驗中暫態(tài)現(xiàn)象的觀察和記錄提供一種很好的方案。以前課本中很多實驗都是無法通過簡單的實驗儀器完成的，比如向心力演示實驗，只能通過老師講解，學(xué)生理解起來比較困難。DIS實驗引入高中物理課堂，就等于把那些用一般儀器無法完成的實驗通過傳感器、計算機等現(xiàn)代化工具很好的、準確的呈現(xiàn)在我們面前。DIS實驗使物理實驗更具實時性和直觀性，讓學(xué)生更好的理解“向心力和向心加速度”的概念，使學(xué)生更容易理解物理規(guī)律和實驗原理，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

2.DIS實驗使物理實驗的過程變的簡單化。傳統(tǒng)的實驗一般都需要幾個同學(xué)一起完成，從實驗儀器的搭建到數(shù)據(jù)的處理最后得出實驗結(jié)論，這是個比較復(fù)雜的過程，而且數(shù)據(jù)的處理往往比較麻煩，只有很少的同學(xué)能夠真正的把數(shù)據(jù)處理好。DIS實驗引入高中課堂，多數(shù)的實驗學(xué)生都能夠獨立的完成，數(shù)據(jù)的處理都交給了計算機，簡化了數(shù)據(jù)的處理，有些學(xué)生會提出幾種不同的設(shè)想，可以利用DIS處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點，將每一個設(shè)想都嘗試一下，這樣的過程其實就是探究的過程。更重要的是使學(xué)生能夠有更多的時間用在思考實驗的設(shè)計上面，這樣充分挖掘了學(xué)生的潛能，有效地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力，學(xué)生能很好的自主探究學(xué)習(xí)，使學(xué)生真正是做物理實驗，使實驗質(zhì)量和教學(xué)效果得到了提升。

3.DIS實驗使物理課程與信息技術(shù)有機的整合在一起，貫穿和落實了課改教學(xué)理念。DIS實驗依靠先進的科學(xué)技術(shù)，使現(xiàn)代教育技術(shù)進入課堂，給傳統(tǒng)的物理教學(xué)注入了新的活力，為課改理念的落實提供良好的技術(shù)平臺。

所以作為教師，應(yīng)該將傳統(tǒng)實驗的思想與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合起來進行實驗教學(xué)，不斷創(chuàng)新，領(lǐng)會課改的精神，并把它融入到自己的日常教學(xué)工作中去，才能真正做到以“學(xué)生發(fā)展為本”，為學(xué)生提供人性化的展示舞臺，促進學(xué)生的個性化發(fā)展。