基于Scratch技術的小球做圓周運動模型設計

摘 要：基于Scratch軟件以小球做圓周運動這類物理場景，從理論分析到模型建立，形象生動地向學生展示了整個運動過程中運動軌跡和特殊點處的受力情況，便于學生更好地理解和掌握這類物理類型。

關鍵詞：Scratch技術;圓周運動;小球模型

當前社會已經步入信息化發展時代，網絡、游戲、動畫、視頻短片和手機通信等成為生活的重要組成部分，教學也正在朝著信息化方向發展[1]。Scratch軟件[2]是由麻省理工學院開發的面向中小學生的一種簡易編程軟件，由100多塊功能“積木”指令組成。相對于傳統的通過敲擊代碼來編程的軟件而言，它最大的優點是只需要通過搭積木的方式就可以完成程序編寫。也正是由于它簡單易學、交互性強、表現力好、一改傳統編程的枯燥低效的特點，能夠提高學生的學習興趣，激發學生的創新思維，提高學生對自然科學的自主探究精神，所以其在課堂教學應用中具有良好的發展前景，符合現代社會教育改革對學生學習的要求，成為現在中小學乃至高中課堂教學應用研究的熱點。

小球做圓周模型經常和圖像結合，題目難度較大，學生不能建立相關的模型并進行分析，導致解題思路不清、錯誤率較高。本文從實際課堂出發，基于Scratch軟件以小球做圓周運動這類物理場景[3]，從理論分析到模型建立，形象生動地向學生展示了整個運動過程中、運動軌跡和特殊點處的受力情況，便于學生更好地理解和掌握這類物理類型。

一、物理模型理論分析

輕繩類和輕桿類

1.輕繩類

（1）最高點

運動質點在一輕繩的作用下繞中心點作變速圓周運動。由于繩子只能提供拉力而不能提供支持力，質點在最高點所受的合力不能為零，合力的最小值是物體的重力。在最高點的向心力方程：

可知此時繩子的拉力不可能為零，其最小值為mg，速度為零，但不能通過最高點。

2.輕桿類

最高點：運動質點在一輕桿的作用下，繞中心點作變速圓周運動，由于輕桿能對質點提供支持力和拉力，所以質點過最高點時受的合力可以為零，質點在最高點可以處于平衡狀態。所以質點過最高點的最小速度為零。

（1）當v=0時，輕桿對質點有豎直向上的支持力，其大小等于質點的重力，即：FN=mg。

二、Scratch軟件具體設計過程

1.竿拉小球做圓周模型

以最低點為開始狀態，分別考察最低點和最高點受力情況。相關代碼如下：首先切換為無受力背景，將起始點移到原點，隨后從最低點開始等待1秒后運動，重復執行144次左轉5度循環，轉完2圈后在最低點停留，并提問：“最低點受力情況？”引導學生思考并分析最低點受力情況，隨后運行模型使小球運動到最高點，并提問：“最高點受力情況？”此時在最高處桿受力分3種情況，可以依次進行講解。

2.繩拉小球做圓周模型

和桿拉小球類似，分別考察最低點和最高點受力情況。程序設計代碼類似桿拉小球模型。在此就不做重復描述。值得一提的是在繩拉小球做圓周模型中，當速度小于臨界速度時，小球不能通過最高點，模型中增加了小球下落過程，形象直觀更便于學生學習和理解。小球在光滑豎直的圓弧軌道內側的圓周運動等效于繩拉小球模型。

三、結語

通過以上幾種模型的討論與思考，對提升競賽中學生數形結合分析能力及物理思想方法有積極作用。綜上所述，Scratch軟件在中學物理教學中的應用需要根據學生的群體特點，針對不同的教學需求，利用不同的教學方法，將Scratch軟件與物理知識進行整合教學，提高學生對化學學習的興趣，培養學生物理學習的能力。

參考文獻：

[1]李金瑞.高中物理教學如何培養核心素養[J].中國民族教育，2017（5）：65-66.

[2]胡慧婷，徐曉梅.Scratch軟件在中學物理教學中的應用初探[J].物理通報，2016（3）：93-99.

[3]崔勇.“做中學”在小學信息技術課堂實踐探析：以Scratch軟件教學為例[J].軟件導刊（教育技術），2016（3）：16-18.

注：本文系江蘇省無錫市教育科學“十三五”規劃立項課題“基于Scratch軟件的高中物理項目學習研究”（D/D/2018/006）研究成果。

作者簡介：李春勝（1989—），男，中學一級教師，研究方向：中學物理教學與研究。