融合信息技術，化解圓周運動知識難點

鄭洪均

摘? ?要：“圓周運動”是魯科版（2019）必修第二冊第3章內容。其中“皮帶傳動”兩輪緣和皮帶上各點線速度大小相等、“火車轉彎”圓周運動平面、“過山車”過最高點等圓周運動知識是本章的教學重點和難點。文章立足教育實踐，探究融合信息技術，化解高中物理課堂教學中的圓周運動知識難點。以期實現創新物理教學模式，促進物理教學水平的提升，提高物理課堂教學的效率和質量。

關鍵詞：信息技術；高中物理；圓周運動

引言

圓周運動是生活中常見的物理現象之一。是高中物理研究的重要內容。通過購買和自制符合物理情境的實驗教具，與信息技術相融合，呈現真實、直觀的物理課堂教學。學生通過觀察和參與圓周運動實驗探究的過程，體會通過科學探究和解釋自然現象的樂趣，提高對物理現象到本質的認知，形成物理規律的結論。

1 傳統圓周運動教學中存在的問題

1.1? “皮帶傳動”皮帶與兩輪緣各點速度大小相等問題

物理學是一門以實驗作為主心骨的自然科學，很多物理概念或物理規律的得出都依托于實驗[ 1 ]。教師不僅要傳授學生基本知識，還要培養學生建立模型的能力和分析綜合能力。在傳統教學中，在 “皮帶傳動兩輪緣和皮帶上各點線速度大小相等” 這抽象性強的知識時。往往采用講授法，或利用動畫模擬展示皮帶傳動的兩輪做勻速圓周運動模型如圖1。學生難以有效觀察到兩輪緣與皮帶線速度相等的實際物理現象。沒能有效突破這一知識難點。在運用這一物理知識時，只能靠記憶來套用到有關的物理情境的題目中去解題。

1.2? “火車轉彎”圓周運動平面問題

“火車轉彎”是第3節“離心現象”的知識內容。為了給火車提供轉彎時所需的向心力，火車軌道通常設計為外高內低。車速合適的話，火車輪緣與軌道之間沒有擠壓。只由火車受到的重力和車輪與軌道接觸面的支持力的合力來提供向心力。在傳統教學中，采用網上搜索的有關火車轉彎的視頻資料展示，并不能清晰、完整地呈現出火車轉彎運動過程。授課時學生普遍因為火車與軌道的接觸面傾斜，從而認為火車做的是沿著軌道接觸面的傾斜圓周運動，如圖2所示。學生無法透過現象看本質，在遇到這類問題和情境的應用中經常碰壁。

1.3? “過山車”過最高點的臨界條件問題

“過山車”是豎直平面內圓周運動分析的一個實例應用。在課堂演示實驗教學過程中，大部分學校采用課本迷你實驗室相同或相似的“過山車實驗裝置”，如圖3所示。將小球從斜軌的某一高度釋放。然后逐漸改變小球釋放高度，觀察小球能否通過軌道最高點而不脫離軌道運行。由于運動過程短。小球脫離軌道過程一閃而過。學生難以清晰、完整地觀察小球脫離軌道過程。沒能清晰地對比通過和沒通過最高點這兩個運動過程。造成學生對此提不起學習興趣。教學效果不理想。

2? 融合信息技術，化解圓周運動知識難點實踐

2.1? 皮帶傳動線速度關系教學實踐

為了有效化解“皮帶傳動”皮帶與兩輪緣各點速度大小相等知識難點，本文制作皮帶傳動裝置教具，如圖4。該教具由木質支架、皮帶、大小傳動輪、小線條、手搖把手構成。將線條粘于皮帶上。在小傳動輪的輪緣用顏料涂上參照點A，大傳動輪的輪緣涂上參照點B。信息技術設備需要手機、三腳架、手機支架、電腦等。手機打開熱點，建立手機與電腦網絡連接。打開希沃助手的直播功能。利用手機現場拍攝演示實驗，在電腦屏幕上同步直播演示實驗，引導學生通過電腦屏幕清晰地觀察實驗現象。

實驗操作：（1）轉動手搖把手，觀察小傳動輪上的A點與線條末端重合時的運動情況。如圖5甲、圖5乙所示。

（2）轉動手搖把手，觀察小傳動輪上的B點與線條末端重合時的運動情況。如圖6甲、圖6乙所示。

實驗現象：當A、B兩點分別與線條末端重合，在轉動過程中，與線條末端均保持相對靜止。在相同時間，走過相同的弧長。

實驗結論：在皮帶不打滑情況下，皮帶傳動兩輪緣和皮帶上各點線速度大小相等。

通過現場物理演示實驗融合信息技術，將演示過程清晰地呈現給學生。調動學生學習興趣，啟發學生通過觀察實驗現象得到物理結論，掌握物理知識和規律，有效地突破“皮帶傳動兩輪邊緣和皮帶上各點線速度大小相等”這一知識難點。為線速度相等情況下，通過角速度比較勻速圓周運動的快慢做好相關的知識儲備。

2.2? ?“火車轉彎”仿真模型教學實踐

高中生處于身心發展不完善的階段，缺乏生活實踐經驗[ 2 ]。大部分教師授課采用網絡上火車轉彎的圖片或視頻素材，這些素材展示的火車轉彎大部分只是圓周的一部分。而幾乎沒有火車在完全閉合的圓軌道做完整圓周運動的模型演示。學生構建不出正確的火車轉彎模型。難以理解“火車轉彎”接觸面傾斜，而圓周運動平面卻是水平。為了有效突破這一知識難點。筆者通過網絡資源，購買帶有輪緣火車和完整閉合圓形軌道的仿真火車模型。通過安裝9片可拆裝的火車軌道片，構成外高內低的完整且閉合的圓形軌道，如圖7、圖8。

教學活動：（1）將仿真火車模型和外高內低的閉合圓形火車軌道模型于各小組之間傳遞觀察。引導學生注意觀察火車輪緣構造和圓形軌道。

（2）在講臺上演示火車模型在閉合圓形軌道做圓周運動。同時結合信息技術，利用手機拍攝不同角度火車轉彎的演示視頻，通過微信，將課堂拍攝的火車轉彎演示視頻傳輸到電腦。在電腦大屏播放演示視頻，清晰呈現模擬火車轉彎過程的圓周運動過程。

通過實際課堂的“火車轉彎”仿真模型的觀察和體驗，結合演示視頻的觀看進行授課，學生清晰地觀察到雖然軌道外高內低，但火車在轉彎時是以閉合圓形軌道做水平平面的勻速圓周運動。學生能夠構建出正確的“火車轉彎”物理模型如圖9。從而找到合外力指向水平圓周運動平面的圓心。有效地化解“火車轉彎”知識難點。

2.3? ?慢動作探究“過山車”運動

如何讓學生清楚地觀察不同速度的“過山車”運動過程。筆者通過探索和實踐發現目前手機大部分具有慢動作拍攝功能。筆者以華為mate 20 pro手機“慢動作”功能進行視頻拍攝為例。打開手機相機，選擇“更多”→“慢動作”便可啟用手機“慢動作”拍攝功能。其中拍攝幀數有32X（960幀/秒）、8X（240幀/秒）、4X（120幀/秒）三檔可選。由于32X拍攝只能由手機自動檢測運動物體，無法手動控制拍攝啟動和關閉，且拍攝時長限制在10 s，不利于實驗過程拍攝。而8X可手動開啟拍攝錄制和手動停止錄制，錄制時間無限制。因此可選擇8X拍攝。手機“慢動作”操作界面如圖10所示。

“過山車”演示實驗教具左端由小車和三檔可選的彈射裝置、釋放開關按鍵構成。底部裝有橡皮筋彈射裝置。通過擺放小車到離釋放按鍵開關不同距離，選擇不同檔位進行彈射，可使小車獲得不同的初速度，進入圓形軌道做豎直平面圓周運動。

教學活動：（1）讓學生觀察教具模型，了解演示實驗的教具構造。

（2）將手機放置于三腳架上固定好。打開手機“慢動作”功能，選擇8X倍速。邀請一位學生點擊開始和停止“慢動作”實驗視頻錄制。師生一起合作實驗演示和探究。

實驗操作：首先教師先將小車和推射器推至第一檔低速彈射裝置上做好彈射準備。讓學生點擊開始錄制，釋放開關按鍵，彈射小車。在小車掉落到軌道后停止錄制。通過手機選擇小車通過圓形軌道的那部分運動過程，進行慢動作處理。將處理好的視頻通過微信傳輸到電腦播放展示。

實驗現象： “慢動作”的視頻展示清楚地呈現了小車在豎直圓軌道上未能通過軌道最高點，便脫離軌道掉落下來的整個慢動作過程。其中脫離過程視頻截圖如圖11所示。

提出思考：小車怎樣才能過最高點，做完整圓周運動不掉下來？

對比實驗：將彈射器置于第二檔，使小車獲得更大初速度。學生點擊開始錄制后，釋放開關按鍵。在小車運動到軌道右側末端后停止錄制。并在手機處理慢動作視頻后，通過微信傳輸到電腦播放實驗過程視頻。

實驗現象：獲得較高速度的小車，能夠沿著軌道通過最高點不掉下來，做完整的圓周運動。

“慢動作”對比“過山車”演示實驗，讓學生清晰地觀察了小車豎直平面圓周運動的動態過程。給學生帶來了強烈的視覺沖擊。提高了學生的學習興趣。結合運動狀態受力分析，讓學生深刻理解豎直平面圓周運動的動力學特征。通過課堂教學實踐，確實有效地提高了學生解決此類問題的能力。

3? 結語

以魯科版（2019）的“圓周運動”為例。堅持育人為本，理論聯系實際，創新教學模式。教師提出問題，引導學生思考和討論，提高學生對物理知識學習的興趣以及探索精神。通過融合信息技術進行實驗演示和探究，學生清晰地觀察到實驗現象。透過現象對本質進行科學的分析和思考，使學生形成物理觀念，培養了學生科學思維。教師引導學生對物理模型進行構建和分析，使學生掌握了物理規律，提高了學生物理知識的應用能力。發揮信息技術優勢，更新教學觀念，創新教學模式。讓課堂教學變得更加靈活，師生共同探究更加生動。切實有效地提高了課堂教學效果，促進了師生共同發展。

參考文獻：

［1］ 鄭巧燕. 基于學科核心素養的高中物理演示實驗教學研究：以“教科版必修 1”為例[D].成都：四川師范大學，2018.

［2］ 梁鴻輝. 信息技術深度融合下的高中物理核心素養教學研究[J].中小學電教，2020.