向心力表達式用什么實驗設置演示更恰當

李德林 韓 鹍

(山東省壽光中學 山東 濰坊 262704)

物理課本必修2“向心力”一節驗證向心力表達式的實驗設置，人教版不同時期的版本選用了不同的器材， 2004年開始使用的課程標準實驗教科書，用的器材是圓錐擺．教材的編寫順序是先講向心加速度，再講向心力，由牛頓第二定律得到向心加速度與向心力的關系，設計了圓錐擺實驗驗證向心力表達式．2019年開始使用的普通高中教科書，實驗器材換成了向心力演示器．教材的編寫順序改成了先講向心力，設計了向心力演示器的實驗探究向心力表達式，然后再講向心加速度，由牛頓第二定律得到向心加速度的表達式，這樣編排的優點是降低了向心加速度表達式的教學難度，弱化了向心加速度的理論分析，但是設計的實驗探究案例值得商榷．

實驗設置是物理課程內容的重要組成部分，歷來受到人們的重視.物理實驗是學生獲取知識和能力培養的重要途經和方式，兩個版本的教材設計了不同的實驗方案，哪種實驗設置更科學合理？更符合學生的認知規律？兩種實驗方案各有優點，也都有不足和需要改進的地方，綜合比較,圓錐擺實驗教學效果會更好，更符合新課標理念，也更有利于培養學生的創新能力和學科素養．

1 圓錐擺實驗的優缺點

1.1 圓錐擺實驗是通用器材

相比向心力演示器，圓錐擺實驗器材簡單廉價，是生活中熟悉的物品，很容易找到，減少了由于器材不足而難以開展實驗的困難，特別是對于實驗條件較差的學校，能確保實驗的順利開展．麥克斯韋說過，實驗的教育價值與器材的復雜程度成反比，實驗設計越簡單、易于操作，越能夠推進學生對規律的認知，建立現象與規律緊密的、水到渠成的聯系．學生普遍感到物理知識難學，物理實驗深奧難懂，物理實驗器材也一定都是“高大上”，在實驗中如果能用生活中熟悉的物品做實驗，會拉近物理學與學生的距離，感受到物理學就在身邊，使學生對物理學產生親近感,消除神秘感．

新課標倡導課程內容上應注重與生產、社會生活相聯系的理念，教材中引入圓錐擺實驗也能體現這一理念．向心力演示器是專用器材，結構和原理比圓錐擺要復雜得多，學生需要花費較多的時間了解器材的原理，學會如何使用，影響實驗探究的效果．我國著名物理教育家朱正元教授，在20世紀七八十年代提出“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”的教育思想，今天仍具有指導意義，仍是開發物理實驗的基本原則之一．

1.2 圓錐擺更體現實驗的科學性和開放性 體現學生核心素養培養

新課標提出物理教學的任務，從傳授物理知識提升到培養學生的科學素養上來，特別強調物理實驗的科學性、開放性，有效體現物理實驗的育人功能．相比向心力演示器，圓錐擺實驗更能體現這一原則，更有利于學生物理核心素養的培養．

(1)物理觀念方面，有利于學生形成向心力的概念．對向心力概念的理解是本節教學上的難點之一，通過圓錐擺實驗，使學生認識到小球受到的細線拉力和重力的合力就是向心力，而不是憑空多出一個向心力，理解向心力是按照力的效果命名的，不是按照性質命名的力．

(2)科學思維方面，圓錐擺是生活中學生熟悉的圓周運動，通過該實驗初步構建圓錐擺這一重要的物理模型[1]，為以后利用這一模型打好基礎，通過這一模型的分析和探究，使學生形成牛頓第二定律在圓周運動中應用的科學思維方法，使運動和相互作用觀念，由直線運動深化到曲線運動中．

(3)科學探究方面，實驗方案的制定、實施和完善，比如如何求合力，如何求周期和半徑，以及對實驗結果的評估和誤差分析，能充分體現科學探究的各要素、各環節，調動學生的發散思維能力和創新能力，使學生體會科學研究方法，養成科學思維習慣．

(4)科學態度與責任方面，圓錐擺實驗使學生認識到物理知識與生產、生活和社會緊密聯系，生活中處處有物理，引導學生要學會透過生活中的現象分析出科學的本質．

1.3 圓錐擺實驗的不足和改進

圓錐擺實驗的明顯缺點是小球不容易做圓周運動，并且半徑衰減很快，不容易操作，導致實驗誤差較大，這大概也是新教材棄用的主要原因．但誤差因素不影響這個實驗在本節知識體系中的重要作用，本實驗是粗略驗證或探究，允許誤差略大一些．筆者帶領學生曾多次做過這個實驗，只要操作規范，小球可以保持在穩定狀態轉動五六圈，誤差能控制在合理范圍之內．任何物理實驗都存在實驗誤差，判斷一個實驗設計案例的是否科學合理，誤差只是一個因素，需要綜合考慮．

本實驗裝置可以進一步改進和完善．教師們在多年的教學過程中探索出了不少改進措施，近幾年的物理教學雜志上也發表了一些關于本實驗改進措施的文章，實驗效果顯著提高，比如改裝成電動圓錐擺，用小電動機來驅動圓錐擺的運動[2]，就解決了小球不容易做圓周運動和半徑衰減快的問題，實驗的可操作性和準確性大大提高．教科書中也完全可以吸收部分易于操作的、適合通用的改進措施，使教材內容在改革中既保持連續性、科學性，又不斷完善提高．

2 向心力演示器的優缺點

向心力演示器是現成的實驗器材，優點是簡單直觀，拿來即用，容易操作，省去了學生自己設計原理、安裝器材的過程，但是也有比較明顯的不足．

2.1 只能定性分析不能定量驗證

向心力演示器設計原理是用控制變量法探究向心力與質量、半徑、角速度等物理量的關系，只能粗略定性研究向心力與各物理量的比例關系，無法定量研究．

2.2 學生核心素養培養受限

新教材的目的是設計成探究性實驗，但向心力演示器是結構固定專用器材，專用器材不適合做探究性實驗．實驗器材結構、實驗原理都已成型，只能按照器材設計好的固定的步驟去操作，留給學生自主探究的空間很小，缺少自主設計探究思路的過程，學生發散思維能力受限，創新能力受限，體現不出探究性實驗的科學性、開放性原則，學生核心素養的培養達不到圓錐擺的實驗效果．另外，從學生感性角度分析，向心力演示器是別人設計好了的，自己只是拿來用，不如用通用器材自己設計有成就感，若自己設計，學生會感到自己也能“發現”物理規律或驗證物理規律，既培養了能力，也增強了學好物理的信心．

探究性實驗適合于學生做分組實驗，向心力演示器適合于教師做演示，不適合學生做分組實驗．

2.3 器材結構和原理復雜

向心力演示器依據的原理是，兩個標尺上露出的紅白相間的格子數之比等于兩個小球受的向心力之比，該原理教師在課堂上一般是定性簡單分析，定量證明需要力矩平衡和共點力平衡等知識，很顯然不是這個實驗的教學要求，教學的重點是探究向心力公式，而不是舍本逐末，花費很多時間和精力介紹器材的結構和原理．缺少定量證明，學生理解起來有難度，只是被動接受，影響實驗的探究效果．

2.4 實驗誤差較大

實驗操作過程是通過用手轉動手柄，使變速塔輪及長槽和短槽隨之轉動，槽內的小球也隨著做圓周運動，用手轉動手柄，很難做到手柄勻速轉動，手柄忽快忽慢，小球不容易做勻速圓周運動，所需向心力大小不穩定，因此標尺上露出的格子數也不穩定，忽多忽少不容易準確讀數，實驗誤差較大．

3 兩種實驗方案的綜合比較

楊振寧先生說過，絕大部分物理學是從實驗中來的，實驗是物理學的根源．在中學階段，實驗教學是培養學生物理學科素養的重要途經，實驗是物理課程的核心內容之一，因此實驗設置在物理教材中具有特殊重要性．

綜合比較兩種實驗方案的特點，圓錐擺實驗是通用器材，更能培養學生的物理學科素養，更符合學生的認知規律和新課標的基本理念，改裝和完善可以解決誤差大和不易操作的問題，也有利于教材內容的連續性和穩定性．向心力演示器結構和原理復雜，是專用器材，實驗步驟固定，不適合設計成探究性分組實驗，學生科學探究素養培養有限，實驗誤差較大．因此，2019版新教材把圓錐擺實驗換成向心力演示器值得商榷．