由課堂演示實驗案例探討物理研究型教學的思路

付大鵬

摘?要：本文通過沿斜面滾動物體的運動實例探討在物理研究型教學過程中，配合相關知識的演示實驗，由淺入深，循序漸進地提出問題，積極地引導學生共同參與學習和探索新知識，不僅能夠明顯的提高教學效果，更有利用培養學生的創新思維能力。

關鍵詞：演示實驗;大學物理;研究型教學

如何在物理教學中調動學生的學習興趣，由淺入深，引導學生細心觀察現象，并用相關的知識對觀察到的現象進行分析和解釋，有利于培養學生的創新思維能力。

我們借助如下的課堂演示實驗進行分析問題：

演示現象1：如圖1所示兩個質量相同，半徑R也相同的圓柱體分別是由鋁柱中鑲嵌同質量但相對軸心分布距離不同的銅組成。兩柱體初始靜止，從同一非光滑的斜面的同一高度處同時釋放，柱體下落過程中只有純滾動無相對于斜面滑動，觀察它們滾到斜面底端的時間先后關系？并分析原因？

為培養學生觀察和分析問題的能力，下面采用兩種方法分析：

方法一：由系統的機械能守恒入手分析問題。

選滾動的物體、斜面和地球為系統，設物體下落高度為h，由于物體下落過程中只有重力作功，系統的機械能守恒，開始位置處為重力的零勢能點，物體下落過程中重力勢能減小，轉化為物體質心的平動動能和物體繞過質心的轉軸的轉動動能，選地面為參考系，設物體質心的平動速率v，物體繞過質心的轉軸的轉動角速度大小為

0=-mgh+12mv2+12Jω2（1）

由于物體下落過程中，只有純滾動無相對斜面滑動，所以有物體質心沿斜面平移距離

x，與物體繞軸滾動的弧線長R

，則：

v=Rω（2）

將（2）式代入（1）式中得：

mgh=12mv2（1+JmR2）（3）

下落高度h相同時，m和R相同，J 小的物體的速率v大，應先到斜面的底端。

方法二：由轉動定律分析問題。

設斜面底角為

，物體與斜面的接觸線為瞬時轉軸，物體繞瞬時轉軸的角加速度的大小為。

根據定軸轉動定律M=Jβ而M=mgRsinα，J=J0+mR2

則?mgRsinα=Jβ

得?β=mgRsinαJ（4）

物體的m和R相同，J小的物體2的角加速度SymbolbA@

大，應先到斜面的底端。

演示現象2：如果同時釋放質量和橫截面半徑均不同的圓柱體，觀察情況又會如何？

分析：J圓柱=12mR2，代入（3）式，得 v=4gh3，與圓柱體的m和R無關。

或代入（4）式，得=2gsinαR，與圓柱體的m和R無關，即圓柱體同步下落。

演示現象3：如果同時釋放物體是質量不同，半徑也不同的球、柱、環，情況又會如何？

分析：因為J環=mR2，J柱=12mR2，J球=25mR2

分別代入（3）式，得?v環

或代入（4）式，得

因此，物體到達斜面底端的先后順序為球、柱、環如圖2所示。

進一步提出問題：如圖3質量相同，半徑相同的兩個圓柱體，從兩個相同高度和角度的斜面頂端同時釋放后滾動下來。圓柱體2有一個質量忽略不計的軸，軸的半徑r比圓柱體的半徑R小。第二個斜面中有槽，圓柱體2在滾動的時候只有軸接觸斜面，哪一個圓柱體先到達底端？

在上述的演示實驗觀察和分析基礎上，學生能夠獨立的思考出能夠觀察的現象，并能夠給予分析解釋：

對于圓柱體1：（2）式為v1=Rω?代入（3）式，得：

mgh=12mv12（1+JmR2）

對于圓柱體2：（2）式為v2=rω?代入（3）式，得：

mgh=12mv22（1+Jmr2）

得?V2

或由（4）式，對于圓柱體1：得β1=mgRsinαJ

對于圓柱體2：得β2=mgrsinαJ

由于r

1

因此，物體1比物體2先到達斜面底端。

實踐證明，在教學過程中，配合相關知識的演示實驗，由淺入深，循序漸進地提出問題，積極地引導學生共同參與學習和探索新知識，不僅能夠明顯的提高教學效果，更有利用培養學生的創新思維能力。

參考文獻：

[1]盧德馨.關于研究型教學的思考[J].物理與工程，2005，15（1）：10.

[2]張三慧.大學物理學[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3]吳柳.大學物理學上冊[M].北京：高等教育出版社，2014.