向心力實驗組合儀的優化與研制

江濤　吳春梅

摘 要：創新設計向心力實驗教具，創設向心力的物理情境，定性和定量探究向心力規律，從而有效培養學生的物理核心素養。

關鍵詞：向心力實驗組合儀;教具設計;演示實驗;探究實驗;核心素養

一、引言

2016年，“中國學生核心素養”總體框架發布并引領我國基礎教育的改革。2017年，教育部公布《普通高中物理課程標準》并指出：物理學科核心素養包括“物理觀念”“科學思維”“實驗探究”和“科學態度與責任” [1]。通過培養學生物理核心素養，讓學生具有創新意識和創新能力，“創新”是物理核心素養的根本目的[2]。基于創新實驗的物理教學，是促進學生形成物理核心素養的一條有效途徑[3]。

粵教版高中物理必修2中“向心力”的教材編纂對向心力規律的探究只是定性的，缺乏實驗數據的支撐，學生只能被動接受。因此，通過創新實驗，教師引導學生通過實驗數據得出向心力公式，正確理解向心力的本質特征，才能有助于培養學生的物理核心素養。

二、“向心力”創新實驗設計與自制教具

向心力探究儀。粵教版高中物理必修2關于“向心力”的教材內容對向心力規律的安排缺乏探究發現的過程，如能通過實驗數據探究基于傳感技術的數字化信息實驗系統（DIS），由于便捷和直觀，在中學物理教學中（尤其是城市）已經開始普及，并成為中學物理教學的主要實驗手段。向心力探究儀將引進傳感技術，由圓周運動系統和測量分析系統組成。

依據要求，向心力探究儀將垂直等臂杠桿固定于水平旋轉軌道中心軸，水平方向通過細鐵棒與小球連接，豎直方向與“8”字環、細鐵棒和傳感器連接。垂直等臂杠桿將水平方向的力轉化為豎直方向的力， “8”字環避免細鐵棒發生扭轉。水平旋轉軌道中心軸與步進電機的中心軸套在一個共軸連接器上。

三、向心力實驗組合儀的教學應用與效果

（一）向心力演示器的教學應用

向心力演示器用于向心力的新課引入中，展示并引導學生觀察向心力、推測向心力大小的影響因素。

1.向心力的實驗演示。搖動演示器的空心圓管使小球做圓周運動，增大轉動速度至水瓶被提起，設問是什么力拉起水瓶？對小球、繩子、水瓶組成的系統進行受力分析，建立向心力概念。

2.探究向心力大小的影響因素。增大小球轉動速度（或轉動半徑），水瓶上升，說明水瓶受到拉力增大（即向心力增加），即運動半徑和轉速的改變使得向心力大小發生了變化，由此猜想向心力的大小可能與物體的運動半徑以及轉速有關。改變轉動物體的質量和形狀，可探究向心力大小跟物體的質量和形狀的關系。

（二）向心力探究儀的教學應用

向心力探究儀應用于向心力的規律探究教學，實驗采用控制變量法，保持兩個量不變，改變其中一個量，測量向心力與變量的關系，實驗設計如表2所示：

進行不同的實驗，并依據實驗的數據結果填寫上表。實驗過程如下所述：

1.不同半徑下的向心力。在教學中，應用向心力探究儀，保持和，角速度不變，改變小球位置測量小球在不同半徑下的向心力大小， 記錄數據。

2.不同轉速下的向心力。保持質量和半徑不變，通過步進電機顯示屏調節步進電機的轉速，測量小球在不同轉速下的向心力大小，記錄數據。

3.不同質量下的向心力。保持電機轉速和半徑不變，更換不同質量的小球，改變小球質量測量向心力大小，記錄數據。

綜合1-3的實驗結果，可以得出以下結論：勻速圓周運動物體的向心力與質量三者之間，做勻速圓周運動的物體，其向心力大小等于物體的質量、運動半徑以及角速度的平方的乘積;做勻速圓周運動的物體，其向心力大小等于物體的質量、線速度的平方以及半徑倒數的乘積，同時也等于與轉速的平方以及半徑的倒數的乘積。

（三）向心力實驗組合儀的教學效果

1.利用多感官體驗，充分展示物理現象形成物理觀念。利用向心力演示器創設物理情境，展示物理現象，從視覺上讓學生看到向心力的作用效果及影響因素;利用向心力筆作為課堂的學生實驗，讓學生從體感上感受到向心力及其影響因素。 兩個教具分別從視覺和感官上展示同一物理現象，一方面向心力演示器進行演示實驗有利于讓學生集中注意力，激發學生的學習好奇心;另一方面向心力的實驗探究有利于培養學生動手能力，激發學生探究欲，兩者并用能綜合兩者的教學優勢。

2.利用3D打印技術，實現教具的精細加工和實驗穩定性。制作水平旋轉軌道轉軸和步進電機轉軸之間的聯軸器，是制作向心力探究儀的關鍵技術之一。制作之初，我們采用傳統工藝加工木質聯軸器，經測試后發現很難實現水平旋轉軌道和步進電機共軸，測量數據不穩定，也不理想。后來請教我系大學生創新創業實驗室的同學，借用他們的3D打印機，設計加工聯軸器，終于獲得穩定的實驗效果和理想的實驗數據。

3.引進傳感技術和圖像分析工具，實現物理規律的定量探究。在探究向心力規律的實驗中，利用傳感技術實現數據自動采集與存儲，利用計算機的計算功能和圖像分析工具，進行數據計算、描繪數據圖線、繪制和擬合圖線，將現代科學技術應用到教學中，提供便捷之處。對于物理教學課堂而言，適當弱化數學計算，強化物理實驗、物理圖像、物理規律的探究，對落實物理學科的核心素養是必要的。

四、結語

經過向心力實驗裝置的研制，筆者深切體會自制教具過程的艱辛與不易，一方面制作教具需耗費大量的時間、精力，另一方面購買教具所需材料也構成不小的經濟壓力。但是，設計制作教具有利于展示物理現象、探究物理規律、培養物理思維、有利于物理課堂教學，制作學生核心素養的物理實驗教具，既是課程標準的要求，更是時代的要求。所以“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”。

參考文獻

[1]谷春生.設計創新實驗培養核心素養[J].物理教學探討，2017，35（10）：62-63.

[2]馮容士，李鼎.DIS無線向心力實驗器[J].物理教學，2012，34（03）：23-27+38.

[3]黃丹青，吳玲敏，楊婉華，李德安.改進型向心力探究儀[J].物理通報，2016（11）：93-95.