創新實驗設計 培養學科素養

危淑虹 施生晶

摘? ?要：創新性實驗有利于培養學生的物理學科素養。本文通過毛刷彎曲現象，實驗探究：靜摩擦力提供向心力;利用自制教具定性探究：影響向心力大小的因素;利用朗威數字化信息系統定量探究：向心力大小;通過創新實驗解決物理教與學困境，讓學生對向心力認識更透徹，有效提升學生的科學探究素養。

關鍵詞：創新實驗;學科素養;向心力

物理是以實驗為基礎的學科，成功的物理實驗，直接影響學生對于物理的概念與物理規律的理解。筆者設計了創新性實驗，結合信息技術，對向心力進行了科學探究，提升了課堂的教學效率，培養了學生物理學科素養。

1? 實驗探究：靜摩擦力提供向心力

制作背景：物體隨盤做圓周運動是常見模型。物體除了受重力和支持力外，還受到靜摩擦力，因為學生不能直接觀察到物體的受力，若直接給出靜摩擦力的方向，生硬地告知學生靜摩擦力為其提供向心力，學生難以理解，在后續相關問題的解答，學生常會出錯。

實驗器材：轉盤、毛刷、重物、細繩等。

學生演示：把重物放在毛刷上方，用細繩把毛刷、重物固定在轉盤上，轉動手柄，讓毛刷、重物隨轉盤一起做圓周運動。

學生觀察：豎直位置的毛，向外發生彎曲，如圖1所示。

實驗分析：當物體隨著圓盤旋轉做圓周運動時，學生觀察到：毛刷發生了彎曲，判斷物體具有相對滑動的趨勢，因此除了受到重力和支持力之外，還受到靜摩擦力的作用。通過分析毛刷彎曲的方向，從而得到物體在隨圓盤做圓周運動時所受到的靜摩擦力方向，引導學生分析物體在做圓周運動：靜摩擦力時刻地指向轉動平面的圓心。

實驗結論：物體隨著圓盤做勻速圓周運動時，物體受到的靜摩擦力，提供物體做圓周運動的向心力。

通過演示實驗，把不易被觀察到的靜摩擦力方向轉變為一種可以觀察到、可分析到的現象，有效地減少了學生在課堂上的學習困難，很好地突破了教學的重點和難點。

2? 定性探究：影響向心力大小的因素

實驗器材：兩個乒乓球（一個裝沙子，一個未裝），兩根棉線，兩個筆套，兩個裝了部分水的礦泉水瓶，如圖2所示。

學生演示：手握筆套，快速將乒乓球旋轉，讓乒乓球在水平面內做圓周運動。

實驗現象：裝沙子的乒乓球做圓周運動后，礦泉水瓶被提起來了。在轉速相同的提前下，沒裝沙子的乒乓球做圓周運動并沒有將礦泉水瓶提起。

設計意圖：利用低成本的原材料即可自制實驗器材，使學生們切身感受到現實生活中處處有物理。通過乒乓球提礦泉水瓶，讓學生體驗、感受向心力的大小。

學生演示：教師引導學生演示3個實驗;加快轉速;增加繩長（轉動半徑）;增大乒乓球質量（裝沙子），讓學生觀察乒乓球提礦泉水瓶的效果，從而讓學生猜想影響拉力大小的因素。

學生猜想：學生討論交流，提出自己見解;乒乓球提礦泉水瓶的拉力大小跟球的質量、轉動的半徑、轉速（角速度）有關。

提出問題：如果我們能夠準確地測出質量、半徑、角速度等數值，再深入地研究它們之間的相互關系，一定更可靠，進而引出本節課學習目標，形成定量的研究思路，制定一個探究的方案，要運用"控制變量法"來研究向心力跟物體的質量、轉動半徑、角速度之間的相互關系。

3? 定量探究：向心力大小

3.1? 朗威數字化信息系統

實驗器材：計算機、向心力實驗儀、傳感器、調速器等，如圖3所示。

測量設備介紹：槽碼做圓周運動時的半徑，在螺旋臂上能直接讀出;力傳感器直接測得槽碼做圓周運動的向心力;電機控制器能改變槽碼做圓周運動的角速度（如圖4）。

實驗裝置特點：朗威數字化信息系統，通過傳感器快速對數據進行采集，利用DISLab向心力軟件，計算機智能化進行數據處理，實驗效果好，有效提高課堂效率[ 1 ]。

3.2? 實驗探究

探究一：向心力與角速度的關系

打開朗威DISLab向心力研究Ⅱ軟件，點擊"研究向心力與角速度的關系";在操作界面上輸入實驗相關參數：擋光柱寬度Δs、擋光柱到圓心的距離d、槽碼的質量m=0.02 kg槽碼的轉動半徑r=0.10 m（如圖5）。

3.3? 數據采集

調節角速度控制器（如圖4），將角速度調為6.07 rad/s，待懸臂轉動穩定后，點擊"記錄數據"，計算機屏幕顯示向心力大小隨時間變化的圖線，接著點擊"停止記錄"→"選取F值"，將鼠標移至圖線較穩定的區域，從而選取F值，完成第一組數據的選取。再依次將角速度控制器調制為10.10 rad/s、14.12 rad/s、18.14 rad/s、20.13 rad/s、22.16 rad/s，按之前的步驟依次操作，待六組數據全部選取，得到圖線（如圖6）。

采集數據是學生必須掌握的一項重要技巧，也是今后繼續從事科學研究和實踐的一項重要基本功，通過對數據采集的過程，培養了學生對于實驗數據真實性的認識與嚴謹科學態度。

3.4? 數據處理與分析

3.4.1? 人工繪圖畫圖像

選用合適的坐標軸比例，用圖6采集到的實驗數據，在坐標紙上用“X”符號進行描點，畫F-ω關系的圖像，為了能夠使圖線真實地反映兩個測量值之間的關系，要根據測量點與圖線的大體形狀合理地選取;因實驗存在誤差，要仔細分析后決定取舍，畫出圖像（如圖7），可能是雙曲線、拋物線、圓弧一部分等。

教師引導學生用“化曲為直”的方法，將非線性圖像轉化為線性圖像[ 2 ]。同樣，利用圖6中的數據描點，畫F-ω2關系的圖像（如圖8），使盡量多的點落在直線上，不在直線上的點大致均勻地分布在兩側，偏離直線太遠的點，數據“異常”，誤差較大。學生分析畫出的圖像，會得出：F與ω2成線性關系。

人工繪制圖像，能培養學生的記錄、處理、分析數據等實驗技能，能培養學生細致、耐心、求實的實驗素養;通過圖像處理數據過程，能提升學生實驗探究素養。但人工繪圖占用大量時間，受課堂時間的限制，且誤差較大，目前教師較少使用。

3.4.2? 利用朗威DISLab軟件畫圖

利用朗威DISLab軟件畫圖。點擊窗口“F-ω”，得到圖像（如圖9），再點擊“F-ω2”，得到F-ω2圖像（如圖10）。

利用朗威DISLab軟件畫圖，設置相關物理量，實時采集實驗數據，數據以表格的形式及時顯示，軟件能實時進行數據處理，結果以圖像形式顯示;探究者不需要讀數據、記錄數據，不要人工繪圖，只需點擊鼠標，操作簡單，短時間內能完成實驗，可以集中精力進行實驗探究，有效提高實驗效率。

實驗結論：槽碼的質量、轉動半徑不變，向心力F與角速度ω2成正比。

探究二：向心力與轉動半徑的關系

打開朗威DISLab軟件，輸入實驗相關參數：槽碼的質量0.02 kg，調節角速度為20.14 rad/s;把半徑調至0.04 m處。點擊“記錄數據”，按之前的步驟依次操作選取F值，測出第一組數據。將半徑依次調至0.06 m、0.08 m、0.10 m、0.11 m、0.12 m處，測出六組力F的數據，點擊窗口“F-r”，得到F-r圖像（如圖11）。

實驗結論：槽碼的質量和轉動角速度保持不變，向心力F與轉動槽碼的半徑r成正比。

探究三：向心力與質量的關系

在朗威DISLab操作界面上輸入實驗相關參數：將質量為10 g的槽碼放置在半徑為0.01 m的位置，調節角速度為10.12 rad/s。

點擊"記錄數據"，按之前的步驟依次操作選取F值，測出第一組數據F=0.10 N;將槽碼質量調至為20 g、30 g、40 g、50 g、60 g處，測出六組力F數據，點擊窗口“F-m”，得到F-m圖像（如圖12）。

實驗結論：槽碼的轉動半徑、角速度都保持不變，向心力F與槽碼的質量m成正比。

把朗威數字化信息系統引入課堂，實驗操作簡便、快捷，實現對數據的精準快速測量及處理，實驗結果以圖像的形式展示，學生可以直觀地判斷各個物理量之間定性的關系。得出結論：物體做圓周運動，所需要的向心力F與物體的質量m 、轉動半徑r 、轉動的角速度ω2成正比。同時讓學生們在課堂上體會到了探究的快樂，調動和激發學生的學習興趣，提高了學生的學科素養。

在物理實驗教學中，教師要融合信息技術，不斷改進實驗，通過創新性的實驗，讓實驗現象更直觀，不斷提高教學質量，不斷促進學生物理素養的發展，不斷促進教師的專業成長。

參考文獻：

[1] 余雪妹.高中物理DIS實驗與傳統實驗整合初探[J].物理教學探討，2011（9）：29-32.

[2] 施生晶. 提升“科學探究”素養的教學實踐[J].中小學實驗與裝備，2021（2）：15-18.

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