新技術支撐下高效物理實驗裝置的設計與改進

在教育數字化的浪潮中，我國教育領域正經歷著前所未有的變革。《普通高中課程方案（2017年版2020年修訂）》及《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）均強調了信息技術在教學中的應用，旨在培養學生的科學思維和探究能力^[1][2]。情境認知理論進一步指出，真實世界的情境是學習者獲取知識的基礎，任何脫離具體情境的知識都是缺乏實際意義的^[3]。然而，傳統物理實驗裝置如“圓錐擺驗證向心力公式”存在局限性，難以滿足課標對實驗教學的要求，亟須改進以適應當前教學的需求。筆者針對傳統的向心力實驗裝置存在的不足，提出了一種結合自動化、先進傳感器技術和數據處理的改進方案。基于創新設計，制作了一種能夠靈活調節轉動物體質量、半徑和角速度的新型高效物理實驗裝置，用以開展對向心力公式的定量探究。在真實情境下開展探究性實驗，探討了新技術在物理實驗裝置設計與改進中的應用，以深化學生對物理概念的理解，并促進其核心素養的發展。

一、傳統裝置存在的不足

傳統“圓錐擺驗證向心力表達式”實驗（如圖1）盡管在設計、理論、方法及學生參與度上表現出色，但在實際操作中存在若干挑戰：一是小球難以精確沿預定圓周運動，往往呈現橢圓軌跡；二是小球與紙面之間的距離存在不確定性，導致半徑測量不精確；三是小球距懸點高度的確定存在較大誤差。盡管實驗名稱中帶有“粗略”二字，但上述因素導致實驗結果的準確性受限，難以有效驗證向心力的表達式。

傳統手搖式向心力演示裝置（如圖2）在實驗操作方面存在不足：（1）依賴手動搖動產生轉速，導致轉速穩定性不足，無法進行精確測量，僅能通過視覺估計，造成顯著誤差；（2）向心力的大小僅能進行粗略估算，無法實現精確測量，因此實驗結果僅限于半定量的探究水平。

綜觀以往的教具改進案例，戎杰等借助傳感器等實驗工具，通過在豎直面內進行圓周運動來驗證“向心力”公式^[4]。馮奇等改進向心力演示儀也僅是演示或進行半定量的向心力測量^[5]。刁品全等應用DIS實驗系統來驗證向心力與角速度、半徑和質量的關系^[6]。盡管如此，這些教學工具并未能提供對旋轉半徑、物體質量及旋轉角速度的靈活調節功能，且均依賴于昂貴、難以獲取且安裝復雜的器材。此類物理實驗往往忽略了與學生日常生活經驗的聯系和實際問題的探討，過分強調“學術化”和“理想化”的實驗環境，極易導致學生感到實驗枯燥乏味，甚至對實驗教學產生抵觸情緒。此外，現實中此類教具用于為學生“演示操作”，而學生“復刻”此類教具以拓展科學思維的機會也相對有限。為彌補以上不足，筆者展開關于教具改進的研究。

二、實驗用具與實驗原理

改進實驗所需用具包括：可調壓式電源，一根輕質細繩（長30cm左右且剛性系數較大），一盒鉤碼，大變速盤，長傳送帶，生活中常用電子計價秤（自帶記憶功能），生活中常用數顯激光測速儀，減速馬達，UPVC管，手搖式向心力實驗儀機座。

經改進后的自制學具原理圖如圖3所示。

自制“向心力影響因素探究儀”的工作原理如下。

筆者對手搖式向心力實驗裝置進行解構與重組，確保機器底座、大變速輪盤以及長型傳送帶得以保留。將長橫臂擋板改進為光滑管槽（內部光滑的UPVC管從圓截面切割分開，取一半作為光滑管槽），使其與電子計價秤底部粘接（留出秤鉤位置）呈一條直線并保持水平狀態，隨后對準大變速盤上方位置進行穩固粘接。

在微型風扇取出減速馬達的軸端安裝一個小型皮帶輪，并將演示裝置的長傳送帶環繞于大變速盤底軸與減速馬達皮帶輪之間，隨后緊固傳送帶并確保減速馬達穩固地粘接于原實驗儀的機座上。調節可調電壓式電源旋鈕來控制輸入電路電壓，即可改變減速馬達的轉速，同時帶動光滑管槽轉動并被激光測速儀捕捉到實時轉速，利用公式計算角速度。

將原裝置所用鋼球改為鉤碼，用輕質結實細線系于電子秤秤鉤上，確定轉動物體的質量。保證鉤碼作勻速圓周運動限制在光滑管槽內，防止轉動過程中飛出傷人。以大變速盤的中心作為起始點，將刻度紙條粘貼于光滑的管槽內側。選取鉤碼系于掛鉤后，即可直接測量并讀取勻速圓周運動的半徑。

將電子計價秤的單價設置為9.8元/kg。其意圖是與牛頓所提出重力公式中的重力加速度（云南昆明地區重力加速度約取9.8N/kg）相對應，并結合重力公式和牛頓第三定律進行代換。由此，當鉤碼處于穩定勻速圓周運動狀態時，電子計價秤的示數即為向心力。這些改良措施將傳統的手搖式向心力實驗儀改進為一套具備轉動速度、轉動物體質量、轉動半徑同時控制功能的勻速圓周運動向心力測量裝置。

三、實驗程序

（一）實驗流程及注意事項

筆者采用“控制變量法”實驗，經改進后的自制學具實物圖如圖4所示。

第一步，實驗正式開始之前，調試裝置。接通電源，增大和減小電壓，觀察自制學具轉動狀態是否異常。無異常情況，將可調壓式電源旋鈕調至最小值，正式實驗。

第二步，選取鉤碼系于細繩并放置在光滑管槽內，調節鉤碼位置使細繩恰好處于水平狀態，打開電子計價秤并調至單價為9.8元/kg，開啟激光測速儀將其設置為測速模式，輕微調整調壓旋鈕以設定適宜的輸入電壓。在通電狀態下，鉤碼作勻速圓周運動。選取鉤碼質量已知，依靠減速馬達測出轉動速度，從刻度紙條上讀出轉動半徑。依次改變鉤碼質量、轉動半徑、減速馬達轉速，結合控制變量法進行多組實驗。

第三步，為減小誤差，按照第二步中的流程，共做12組實驗。將直接測得的向心力與用表達式計算得出的理論向心力數據匯總。根據相對誤差公式計算出誤差（百分比）后匯總到表格中，目的在于直觀反映測量結果偏離理論值的數據。

實驗數據匯總情況見表1。

（二）實驗結果分析

觀察表1中記錄的12組實驗數據可以看出，實驗測得的向心力值與理論預期值之間存在較高的吻合度，實驗誤差普遍在2%以內，顯示出實驗結果的優良性。證明本實驗探究儀可以實現對轉動半徑、物體質量、轉動角速度的靈活控制及向心力的準確測量。

為有效落實課標中的“科學探究”學科核心素養，遂選取表1中所記錄的12組數據。利用繪圖軟件Origin的圖像擬合功能，利用集成先進的數字化軟件和卓越的數據采集與處理技術，依次探究不同角速度、運動半徑以及小車質量對向心力的影響趨勢及其相互關系（如圖5至圖7）。筆者有目的地進行學習材料的編排和展示，體現了物理學科的特點。

觀察圖5至圖7，可以明顯看出測得向心力與角速度的平方、運動半徑以及鉤碼質量均成正比關系。此外，三幅曲線的擬合相關系數均在0.999以上，斜率與相關參數乘積基本一致且截距均接近0，盡管存在一定的偏差，但依然有效地證實了向心力公式。究其原因在于摩擦力對向心力有貢獻，這進一步闡釋了“向心力并非固有屬性力，而是由指向圓心的合力所提供的效果力”。由此，使用該探究儀可以在教學中有效地驗證教材中的向心力公式。

鑒于鉤碼在UPVC管槽中運動時受到摩擦力影響，導致實驗數據出現偏差，建議采用輕質且表面光滑的亞克力管槽替代原有的UPVC管槽。亞克力材質的輕盈特性有助于減少因自重引起的額外力，使得鉤碼在作勻速圓周運動時更易保持水平方向，從而顯著降低實驗誤差。按此替換材質，可以提升實驗數據的精確度和可靠性。

在高中物理教學中，向心力公式的推導具有一定難度，因其推導過程對學生而言顯得過于抽象，難以掌握^[7]。利用新技術改進后的自制向心力影響因素探究儀以提供真實情境、即時反饋、激發創新和連接理論與實踐等多種方式，使學生經歷了從“比較—概括—抽象”的認知過程，“從情境中來”“到情境中去”的情境認知理論也為核心素養的培育提供了路徑^[8]。在課標實施過程中，教師理應遵循因生、因學制宜等教學原則，創設真實情境，引導學生主動參與教學互動，引導學生敢說、敢做、敢出錯^[9]，深化其對概念本質的理解，推動其知識的深化吸收與實際應用，確保學生核心素養全面提升。

注：本文系湖南省教育科學“十四五”規劃課題資助項目“新課程改革背景下中學物理力學大概念有效教學的實踐研究”（課題批準號：XJK23BJC042）階段性成果。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中課程方案：2017年版2020年修訂[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版2020年修訂[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3][美]DavidH.Jonassen，等.學習環境的理論基礎[M].鄭太年，任友群，譯.上海：華東師范大學出版社，2002.

[4]戎杰，郭拯，胡科杰.自制驗證“向心力”公式和“機械能守恒定律”教具[J].物理教師，2019（8）：57-59.

[5]馮奇.“用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式”實驗的改進與探究[J].物理教學，2018（12）：27-28.

[6]刁品全.DIS輔助教學下的“向心加速度”教學再思考[J].物理教學，2017（6）：27-29.

[7]黃軍，代偉，羅微，等.用傳感器探究影響向心力大小因素的實驗裝置研究[J].大學物理實驗，2015（2）：31-34.

[8]張良，靳玉樂.核心素養的發展需要怎樣的教學認識論？：基于情境認知理論的勾畫[J].教育研究與實驗，2019（5）：32-37.

[9]李軒，彭朝陽，李立琛.科學預設促進生成：以“閉合電路的歐姆定律”教學為例[J].物理教學探討，2023（8）：73-76.

（作者李軒系云南師范大學物理與電子信息學院碩士研究生；邱士慶系云南師范大學教育學部博士研究生；彭朝陽系云南師范大學物理與電子信息學院教授）

責任編輯：祝元志