創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)，助力問(wèn)題解決

【關(guān)鍵詞】高中物理；創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)；水平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)；臨界問(wèn)題

【中圖分類號(hào)】G633.7" 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" 【文章編號(hào)】1005-6009（2023）50-0091-02

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中有著舉足輕重的地位。觀察和實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生對(duì)物理事實(shí)獲得具體、明確的認(rèn)識(shí)，使抽象的理論問(wèn)題具體化、形象化，開(kāi)闊學(xué)生的視野，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，幫助學(xué)生建立物理模型，解決物理問(wèn)題。

下面筆者通過(guò)分析一個(gè)自制實(shí)驗(yàn)——探究水平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問(wèn)題演示儀，來(lái)談?wù)勅绾瓮ㄟ^(guò)創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生物理問(wèn)題解決能力。

一、問(wèn)題分析

水平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問(wèn)題通常有兩類，一類是與摩擦力有關(guān)的臨界問(wèn)題，一類是與彈力有關(guān)的臨界問(wèn)題。

與摩擦力有關(guān)的水平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問(wèn)題是個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)殪o摩擦力的大小在0到最大靜摩擦力之間，它會(huì)隨著向心力的變化而變化。但這個(gè)具體的變化情況無(wú)法用眼睛去直接觀察。與彈力有關(guān)的水平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問(wèn)題更是個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)閷W(xué)生看不出隨著向心力的增大繩上何時(shí)才會(huì)出現(xiàn)張力，出現(xiàn)張力后這個(gè)張力的大小又如何變化，此力也不方便用彈簧測(cè)力計(jì)去測(cè)。而通過(guò)力傳感器就可以很好地解決此類問(wèn)題，學(xué)生能夠清楚地看到靜摩擦力的變化情況以及繩上何時(shí)出現(xiàn)張力，以及出現(xiàn)張力后張力與角速度的變化關(guān)系。

二、實(shí)驗(yàn)裝置制作

1.制作材料

一塊平整的長(zhǎng)、寬都為50cm左右的薄木板，材質(zhì)相同的50 g鉤碼 3個(gè)、80 g鉤碼 1個(gè)，帶鉤子的小木塊1個(gè)，遮光片1個(gè)，鐵架臺(tái)1個(gè)，力傳感器和光電門傳感器各1個(gè)，手搖皮帶傳動(dòng)裝置1臺(tái)，膠帶1卷。

2.實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法

（1）用鋸子將水平木板鋸成直徑約50cm的圓形，安裝在手搖皮帶傳動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)軸上，用鉛筆和直尺在圓盤(pán)上畫(huà)出過(guò)原點(diǎn)的兩條直線。

（2）用釘子將力傳感器固定在圓盤(pán)中心。

（3）用膠帶把遮光片固定在圓盤(pán)的邊緣，遮光片要凸出一點(diǎn)便于能遮住光電門發(fā)出的光。

（4）把光電門安裝在鐵架臺(tái)上，使光電門靠近圓盤(pán)。當(dāng)遮光片隨圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到光電門處時(shí)，通過(guò)光電門記錄遮光片的遮光時(shí)間，以此來(lái)計(jì)算圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

最后制作出如圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置。

三、教具的用途

上述實(shí)驗(yàn)裝置可以使水平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的相對(duì)滑動(dòng)的臨界問(wèn)題具象化，便于學(xué)生理解掌握此類臨界問(wèn)題。本教具可模擬以下現(xiàn)象。

1.相對(duì)滑動(dòng)與物體質(zhì)量無(wú)關(guān)

將一個(gè)50g的鉤碼和一個(gè)80g的鉤碼放在圓盤(pán)上半徑相同的圓周上，即保證兩個(gè)鉤碼做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑和摩擦因數(shù)均相同。鉤碼在水平方向只受靜摩擦力，故只由靜摩擦力提供向心力，當(dāng)需要的向心力大于最大靜摩擦力時(shí)，鉤碼開(kāi)始相對(duì)圓盤(pán)滑動(dòng)。教師搖動(dòng)手柄使圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度逐漸增大，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的增大，2個(gè)鉤碼同時(shí)相對(duì)圓盤(pán)滑動(dòng)，即物體相對(duì)圓盤(pán)滑動(dòng)時(shí)與物體的質(zhì)量無(wú)關(guān)。

2.位置半徑大的物體先相對(duì)圓盤(pán)滑動(dòng)

把2個(gè)50g的鉤碼（2個(gè)鉤碼的材質(zhì)相同）分別放在圓盤(pán)上半徑不相同的地方，搖動(dòng)手柄使圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度逐漸增大，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)隨圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的增大，位置半徑大的鉤碼先相對(duì)圓盤(pán)滑動(dòng)。

3.摩擦因數(shù)小的物體先相對(duì)滑動(dòng)

把2個(gè)50g的鉤碼（其中1個(gè)底部粘了橡膠皮）分別放在圓盤(pán)上半徑相同的圓周上，即保證兩個(gè)鉤碼做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑相同，搖動(dòng)手柄使圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度逐漸增大，能夠發(fā)現(xiàn)隨圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的增大摩擦因數(shù)小的鉤碼先相對(duì)圓盤(pán)滑動(dòng)。

4.張力與角速度之間關(guān)系驗(yàn)證

把小木塊用細(xì)線系在力傳感器上，連接傳感器和電腦，在電腦里打開(kāi)SWR數(shù)字化信息系統(tǒng)軟件，設(shè)置好橫軸和縱軸所代表的物理量：把力傳感器測(cè)出的力作為縱軸，光電門傳感器測(cè)出的角速度作為橫軸。搖動(dòng)手柄使圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度逐漸增大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示“角速度—力”關(guān)系線最初的一段是水平的，說(shuō)明此時(shí)細(xì)線上的張力為零，這表明當(dāng)圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度較小時(shí)，繩上未出現(xiàn)張力，靠靜摩擦力提供小木塊隨圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的向心力。同時(shí)，當(dāng)角速度增大到某一數(shù)值時(shí)繩上開(kāi)始出現(xiàn)張力，出現(xiàn)張力后張力與角速度之間呈拋物線關(guān)系，滿足表達(dá)式：T + [fm]=mr[ω2]。

上述實(shí)驗(yàn)裝置取材容易、操作方便，讓學(xué)生對(duì)水平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問(wèn)題由紙上談兵變成親身體驗(yàn)，能夠幫助學(xué)生更為直觀地了解水平面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的臨界問(wèn)題。

在課堂的演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生觀察與分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，能夠幫助學(xué)生更好地理解掌握物理知識(shí)。學(xué)生物理素養(yǎng)的提升需要高中物理教師對(duì)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新研究，給學(xué)生提供更多的實(shí)際操作體驗(yàn)，幫助學(xué)生解決問(wèn)題，使得學(xué)生在實(shí)踐中加強(qiáng)對(duì)物理知識(shí)的理解及內(nèi)化。

（作者單位：江蘇省江陰長(zhǎng)涇中學(xué)）

特約編輯：孫士海 見(jiàn)習(xí)編輯：王一民