創新物理實驗提升課堂實效

傅春暉

[摘要]物理是一門自然科學，實驗是物理教學中必不可少的一個環節，實驗教具是輔助課堂教學的有效工具，能有效幫助學生理解知識。文章以《向心力》教學為例，探討“借助教具創新實驗，優化課堂教學”。實際教學中，可以通過圓盤實驗和圓錐擺實驗，讓學生形象直觀地觀察實驗現象，認識向心力的來源，突破實驗難點。通過DIS數字實驗探究向心力的大小，提高學生自主探究的能力。

[關鍵詞]創新實驗;DIS數字實驗;向心力

[中圖分類號]

G633.7

[文獻標識碼] A

[文章編號] 1674-6058（ 2020） 23-0052-02

《向心力》是認識圓周運動的基礎，也是學好圓周運動的關鍵。高一學生的抽象思維能力和邏輯推理能力不強，生活中缺乏對向心力的認識。而在實際問題中，有關向心力的問題是多種多樣的，用傳統講授法進行教學，學生難以理解向心力的本質，難以正確分析向心力，在分析實際問題時，往往容易出錯。實驗是物理學科的生命線，離開實驗，物理只是躺在課本上的知識。充分運用實驗輔助課堂教學，使知識更加豐富立體，使課堂充滿活力。

為了突破本節課的重點和難點，筆者根據教學內容設計制作教具，讓學生通過觀察現象，用已學過的知識分析受力，總結做勻速圓周運動物體的受力情況，進而引出向心力的概念和來源，有效突破難點，培養學生的科學思維。再利用DIS數字實驗進行向心力大小的探究，使學生對向心力從感性認識上升到理性認識。

一、運用有趣的小實驗設疑，激發學生的好奇心和探索欲望

實驗能快速吸引學生的眼球和注意力。如何用一個螺母使礦泉水瓶爬升（如圖1）？可以引發學生積極思考與熱烈討論，學生通過實驗發現直接抬起塑料管不能使礦泉水瓶爬升，而讓細線帶著小螺母做圓周運動則能把礦泉水瓶提起來。這樣引入實驗趣味性高，在教學過程中，不少學生都想嘗試。個別學生在摸索的過程中，其他學生也能積極參與討論，給出意見。通過思考和參與實驗，學生認識到物體做圓周運動需要一個力，從而引出對這個力的研究。這樣的引入貼合本節課的內容，流暢自然。

二、用自制教具演示兩個勻速圓周運動實驗，分析向心力，突破教學難點

本節課的難點是理解向心力的概念，會分析向心力的來源。傳統的教學是直接告訴學生做勻速圓周運動的物體受到了指向圓心的合力。這樣引入比較生硬，在后面有關問題的分析中，學生不能正確分析出向心力的來源，不能很好地理解向心力是效果力.導致學生在對物體進行受力分析時多分析一個向心力。筆者從便于觀察和研究出發，制作了以下兩個實驗器材幫助學生建立向心力的概念，學會分析向心力的來源。

演示實驗1：盤上小物體隨盤做勻速圓周運動

盤上小物體隨盤做勻速圓周運動是一種常見的勻速圓周運動的基本模型。學生不能直接看出物體的受力情況，只能根據理論分析，物體除了受重力和支持力外，還可能受到摩擦力的影響，直接根據向心力的特點給出摩擦力的方向。沒有基于對現象的觀察和分析，生硬地給出摩擦力提供向心力，學生難以理解向心力是效果力，因此，學生在后續的相關問題的分析中經常出錯。為了解決這個問題，筆者受到學習靜摩擦力時常用毛刷作為實驗器材的啟發，在圓盤上固定一個毛刷，再將物體放在毛刷上做實驗。當物體隨圓盤做勻速圓周運動時，學生能直觀地觀察到毛刷發生了彎曲，可以知道物體此時有相對運動的趨勢，說明物體除了受重力和支持力作用外，還受到了靜摩擦力作用。通過毛刷彎曲的方向，分析出物體所受的靜摩擦力方向是時刻指向圓心的。進而引導學生分析出物體在做勻速圓周運動時的受力特點：物體所受的摩擦力（即合力）時刻指向圓心。通過這樣的實驗，把不易觀察的現象變為可觀察、可分析的形象，有效地降低了學生的學習難度。

演示實驗2：圓錐接

如圖2所示，將繩子的一端與力的傳感器相接，靜止時拉力的大小等于物體的重力，即此時傳感器的數值為物體重力的大小。物體由馬達帶動做勻速圓周運動，此時的拉力大小也由傳感器測得，角度通過量角器測量。這樣可以知道物體做勻速圓周運動時所受到的重力和拉力的大小和方向，然后引導學生通過作力的圖示得出物體受到的合力的大小和方向。改變物體轉動速度的快慢多做幾組實驗，通過對比不同轉速下物體所受的合力，分析出物體做勻速圓周運動時合力的特點：合力時刻指向圓心。學生通過觀察實驗，記錄數據，作圖分析得出物體的合力。使學生充分參與整個實驗的過程，探究出合力的特點，加深學生對向心力的理解。

從以上兩個實驗中，總結出物體在做勻速圓周運動時受到的合力時刻都指向圓心，引出向心力的概念：做勻速圓周運動的物體受到總指向圓心的合力。根據這個特點我們把這個力叫作向心力。這樣引入向心力的概念，過渡自然，學生理解深刻到位，學生更容易理解向心力是效果力，是物體所受的合力。

在教學實踐中，學生思維活躍，通過認真觀察、思考分析、總結規律再抽象出概念。學生在學習的過程中，提升觀察能力和分析、概括能力。

三、通過兩個探究實驗學習本節重點內容——向心力的大小

分析了向心力的來源和方向，接下來是本節課的重點：探究向心力的大小。傳統的教學方法用圓錐粗略驗證向心力的表達式。這個方法實際操作難度大，分析過程也不簡單，對學生能力要求較高。另一種方法是使用向心力演示儀，這個方法不容易保持物體做勻速圓周運動，而且實驗結果比較粗糙不精確。以上兩種方法都只是驗證向心力的表達式，在DIS數字實驗日趨成熟的條件下，由學生自主探究向心力的大小更尊重知識的生成過程，有利于培養學生的科學態度、合作精神和實驗能力。

筆者的設計是先通過小實驗的感受，分析出影響向心力大小的因素，讓學生對向心力的大小有定性的了解，再利用DIS數字實驗進行定量分析。通過傳感器測量物體做圓周運動的向心力和線速度，便于學生探究向心力大小與質量、線速度和半徑的關系，數據處理方便簡潔，可以通過圖像的方法探尋物理量之間的關系式，這樣，更加直觀和科學。兩個探究性實驗，不僅提高了學生的實驗能力，還讓學生經歷了科學的研究過程：提出問題一分析問題一解決問題，讓學生感受到了通過探索獲取物理知識的成就感，提高了學習的積極性。

探究實驗1.探究向心力的大小與哪些因素有關

學生通過筆者提供的器材讓螺母做勻速圓周運動，通過比較，直觀感受到半徑越小、質量越大，轉動得越快，手感受到的力就越大。定性分析出向心力大小與半徑、質量和線速度的簡單關系，為下一步定量分析打好基礎，可以根據這一簡單關系設計實驗方案。

探究實驗2.利用DI數字實驗進行探究性實驗

采用數字實驗，用控制變量法探究向心力大小與質量、半徑和角速度的定量關系?？刂瀑|量和半徑一定，探究向心力和角速度的關系;控制角速度和質量一定，探究向心力和半徑的關系;控制角速度和半徑一定，探究向心力和質量的關系。在實驗中傳感器將實驗采集的數據傳輸給電腦，引導學生用圖像法分析實驗數據，得出向心力與質量、半徑和角速度的圖像，運用數學知識分析出向心力大小的表達式。

利用傳感器和數字手段，可以快速準確地記錄實驗數據，簡潔方便地分析實驗數據，可以使學生從簡單、機械和繁雜的數據處理中解脫出來，更專注地討論和探究物理量之間的關系。

本次研究中，通過圓盤實驗和圓錐擺實驗改進教學，對學生直觀了解向心力，建立向心力的概念有很大的幫助。接著通過科學探究得出向心力大小的表達式，培養學生的實驗能力和科學探索精神。這樣通過實驗把學習內容串聯起來的課堂，層層遞進，環環相扣，充滿活力，學生參與度高，對知識理解到位，能有效提高教學質量。

[參考文獻]

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（責任編輯 易志毅）