開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)資源 培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)

(首都師范大學(xué)附屬麗澤中學(xué)，北京 100071)

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)資源是科學(xué)探究教學(xué)的重要內(nèi)容，也是落實(shí)課程目標(biāo)、全面提高學(xué)生核心素養(yǎng)的重要途徑。這就迫切要求中學(xué)物理教師要善于吸收教育科學(xué)及物理學(xué)的最新成果，拓寬自己的知識(shí)面，挖掘出教材所蘊(yùn)涵的探究性因素，精心設(shè)計(jì)相應(yīng)的探究性課題，開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)資源，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，使其逐步形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

1 源于師生的困惑

放在轉(zhuǎn)盤上的物塊隨轉(zhuǎn)盤一起做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，它與轉(zhuǎn)盤保持相對(duì)靜止，那么它們之間的靜摩擦力的方向該怎么判定？有些學(xué)生常常認(rèn)為，靜摩擦力的方向與物體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向相反，木塊隨轉(zhuǎn)盤一起勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)有沿切線方向飛出的趨勢(shì)，因此靜摩擦力的方向應(yīng)該沿切線方向，這是一種較普遍的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，其原因是忽略了研究運(yùn)動(dòng)時(shí)所選用的參考系。

通常所說的做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體有沿線速度方向飛出的趨勢(shì)，是指以地面為參考系而言的。而靜摩擦力的方向總是跟相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)方向相反，這應(yīng)該是對(duì)相互接觸的兩個(gè)物體來說的，即是對(duì)物塊與轉(zhuǎn)盤而言的。然而以轉(zhuǎn)盤為參考系，教會(huì)學(xué)生判定物塊相對(duì)于轉(zhuǎn)盤面的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，是困擾高中物理教師的一大難題，無論怎樣解釋，學(xué)生還是不理解，最后往往從物塊做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)必受一個(gè)指向圓心的向心力作用來分析，所以物塊所受靜摩擦力必定指向圓心，以提供向心力，最后學(xué)生雖然記住了這個(gè)結(jié)論，到頭來還是沒有真正搞懂。到底在高中階段能不能突破這一難題呢？為此筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)以期能突破它。

2 旋轉(zhuǎn)參考系中液滴運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究

筆者自制了“判定轉(zhuǎn)盤物塊靜摩擦力方向的演示儀”，如圖1所示，把鋁塑板剪成一個(gè)大的圓盤面，取一個(gè)硬質(zhì)塑料轉(zhuǎn)柄，通過木螺絲固定于鋁塑板圓盤面上，在塑料轉(zhuǎn)柄凹孔內(nèi)插入一不銹鋼細(xì)棒，用銷釘螺絲銷住。

圖1

圖2

如圖2所示，取一個(gè)手搖皮帶輪傳動(dòng)機(jī)械，把不銹鋼轉(zhuǎn)軸插進(jìn)皮帶輪傳動(dòng)機(jī)械的凹槽中，使鋁面朝下，白色塑料面朝上，再用銷釘螺絲拴緊，這樣整個(gè)裝置安裝完畢。

該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的另一個(gè)重要環(huán)節(jié)是配制適當(dāng)?shù)娜芤海?0毫升止咳糖漿，倒入小塑料杯，再滴入少許藍(lán)黑墨水，攪拌均勻即可。本實(shí)驗(yàn)對(duì)溶液要求較高，不稀不稠，溶液配制不好，將會(huì)前功盡棄。本人進(jìn)行了大約三百多次實(shí)驗(yàn)，最后找到了這種溶液配置方法，實(shí)驗(yàn)效果較好。

3 實(shí)驗(yàn)過程及觀測(cè)

如圖3所示，首先把皮帶輪傳動(dòng)機(jī)械放置在水平工作臺(tái)面上，搖動(dòng)手柄，穩(wěn)定后使轉(zhuǎn)盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。請(qǐng)一位學(xué)生作為助手，手持裝有溶液的小塑料杯，置于轉(zhuǎn)盤上方高15厘米處，待轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)盤半徑的中點(diǎn)處倒下混合液，形成細(xì)長(zhǎng)水流并快速完成。為了防止溶液飛濺身上，在操作臺(tái)的后面請(qǐng)另一位學(xué)生立起一塊擋板。隨著勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，小液滴便從盤面上飛濺開來，再保持轉(zhuǎn)盤穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)一會(huì)兒，待有顏色液體變干后停止搖動(dòng)手柄。此時(shí)學(xué)生屏氣凝神，盤上徑跡到底會(huì)是什么樣的呢？

圖3

圖4

筆者請(qǐng)一位學(xué)生大膽猜想，他脫口而出：圓形的、往外擴(kuò)，像蝸牛殼形狀。到底是不是如此呢？這里筆者吊足了學(xué)生胃口，以激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的探究欲望，觀摩的老師們也紛紛拿出手機(jī)準(zhǔn)備拍攝。筆者卸下轉(zhuǎn)盤，在投影儀上展示，令在場(chǎng)的師生大吃一驚，形成的徑跡如圖4所示，巧妙地完成了旋轉(zhuǎn)參考系中液滴運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)展示，課后評(píng)課時(shí)老師說這個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)太震撼了，小液滴相對(duì)轉(zhuǎn)盤的運(yùn)動(dòng)徑跡沿半徑方向向外，一目了然，事實(shí)勝于雄辯。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及理論分析

筆者所自制的轉(zhuǎn)盤上表面是白色塑料,所以比較光滑，它成功展示了圓盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)小液滴與轉(zhuǎn)盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，說明圖2中物塊隨轉(zhuǎn)盤一起做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖說與轉(zhuǎn)盤相對(duì)靜止，但具有相對(duì)于轉(zhuǎn)盤沿半徑向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。我們判定相對(duì)靜止物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，總是假想接觸面光滑，所以說該實(shí)驗(yàn)近似模擬了勻速圓周運(yùn)動(dòng)中小液滴與轉(zhuǎn)盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，突破了物塊隨轉(zhuǎn)盤一起做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)靜摩擦力方向判定的難題。應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)果一目了然，既激發(fā)了學(xué)生的興趣，又使他們終生難忘。

針對(duì)數(shù)學(xué)功底較好的學(xué)生，我們也可以通過理論來論證如下:首先把問題簡(jiǎn)化，抽象建模，把研究的物塊看作質(zhì)點(diǎn)，它隨轉(zhuǎn)盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)某一時(shí)刻質(zhì)點(diǎn)在距轉(zhuǎn)軸O距離為R的圓弧上的A點(diǎn)，經(jīng)過很短的時(shí)間Δt，以速率v勻速轉(zhuǎn)動(dòng)到A1點(diǎn)，轉(zhuǎn)過的圓心角的弧度值為α,如圖5所示,則質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)過的弧長(zhǎng)為l1=Rα=vΔt。

如圖5所示,如果圓盤光滑，由于慣性，質(zhì)點(diǎn)將沿圓的切線飛出，即經(jīng)過很短的時(shí)間Δt，沿A點(diǎn)的切線方向以原有的速率v移到A2點(diǎn)，則質(zhì)點(diǎn)沿切線運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度為AA2=l2=vΔt=Rtanβ，在相同時(shí)間Δt內(nèi)，質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)過的弧長(zhǎng)等于其切線長(zhǎng)，則α=tanβ，根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí)可知：當(dāng)β很小時(shí)，角度的弧度值等于其正切值，β=tanβ，則α=β。即在質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)過角度很小時(shí)，點(diǎn)A1與A2跟轉(zhuǎn)軸O三點(diǎn)共線(如圖6),說明轉(zhuǎn)盤光滑時(shí)質(zhì)點(diǎn)會(huì)沿半徑遠(yuǎn)離圓心，即質(zhì)點(diǎn)在隨轉(zhuǎn)盤一起勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，所以靜摩擦力的方向與離心趨勢(shì)相反，沿半徑方向指向圓心。

圖5

圖6

5 結(jié)語

開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)資源，實(shí)施探究教學(xué)，在全面提升學(xué)生核心素養(yǎng)方面具有廣闊的研究前景，所以教師在教學(xué)過程中要深挖教材中的探究性因素，開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)資源，給學(xué)生提供必要的科學(xué)探究機(jī)會(huì)，使他們體驗(yàn)探究的曲折和樂趣，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新潛能。