基于Scratch技術(shù)的小球做圓周運動模型設(shè)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?qū)W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(xué)生更好地理解和掌握這類物理類型。

關(guān)鍵詞：Scratch技術(shù);圓周運動;小球模型

當(dāng)前社會已經(jīng)步入信息化發(fā)展時代，網(wǎng)絡(luò)、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(xué)也正在朝著信息化方向發(fā)展[1]。Scratch軟件[2]是由麻省理工學(xué)院開發(fā)的面向中小學(xué)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(tǒng)的通過敲擊代碼來編程的軟件而言，它最大的優(yōu)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(xué)、交互性強、表現(xiàn)力好、一改傳統(tǒng)編程的枯燥低效的特點，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生對自然科學(xué)的自主探究精神，所以其在課堂教學(xué)應(yīng)用中具有良好的發(fā)展前景，符合現(xiàn)代社會教育改革對學(xué)生學(xué)習(xí)的要求，成為現(xiàn)在中小學(xué)乃至高中課堂教學(xué)應(yīng)用研究的熱點。

小球做圓周模型經(jīng)常和圖像結(jié)合，題目難度較大，學(xué)生不能建立相關(guān)的模型并進行分析，導(dǎo)致解題思路不清、錯誤率較高。本文從實際課堂出發(fā)，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?qū)W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(xué)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)點提供支持力和拉力，所以質(zhì)點過最高點時受的合力可以為零，質(zhì)點在最高點可以處于平衡狀態(tài)。所以質(zhì)點過最高點的最小速度為零。

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

二、Scratch軟件具體設(shè)計過程

1.竿拉小球做圓周模型

以最低點為開始狀態(tài)，分別考察最低點和最高點受力情況。相關(guān)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(fù)執(zhí)行144次左轉(zhuǎn)5度循環(huán)，轉(zhuǎn)完2圈后在最低點停留，并提問：“最低點受力情況？”引導(dǎo)學(xué)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(shè)計代碼類似桿拉小球模型。在此就不做重復(fù)描述。值得一提的是在繩拉小球做圓周模型中，當(dāng)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(xué)生學(xué)習(xí)和理解。小球在光滑豎直的圓弧軌道內(nèi)側(cè)的圓周運動等效于繩拉小球模型。

三、結(jié)語

通過以上幾種模型的討論與思考，對提升競賽中學(xué)生數(shù)形結(jié)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(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用需要根據(jù)學(xué)生的群體特點，針對不同的教學(xué)需求，利用不同的教學(xué)方法，將Scratch軟件與物理知識進行整合教學(xué)，提高學(xué)生對化學(xué)學(xué)習(xí)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)習(xí)的能力。

參考文獻：

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

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

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

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

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