“演示實驗法\"在高中物理課堂中的應用研究

演示實驗是物理教學中非常重要的方法之一，高中學生正是從形象思維向抽象思維轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期，教師可以通過演示實驗，讓學生親身體驗實驗過程，觀察實驗現(xiàn)象，從而提高他們的觀察和分析能力，提高學生在物理方面的核心素養(yǎng).下面以向心力教學為例開展應用研究.

1核心素養(yǎng)

通過“向心力”的實驗探究過程，培養(yǎng)學生應用物理知識分析、解決實際問題的能力，體驗科學探究的思想方法.文章將從運動和力兩方面來探究圓周運動的特點及規(guī)律.

2 教學目標

2.1 知識與技能

（1）理解向心力的概念及來源；（2）掌握向心力公式應用；（3）知道非勻速圓周運動的特點，

2.2 過程與方法

（1）通過提出問題 $$ 分析問題 $$ 解決問題的方法對勻速圓周運動進行研究，讓學生理解向心力概念；（2）在探究向心力與質(zhì)量、半徑、速度三者的關(guān)系過程中，加深對控制變量法的理解.

2.3 1 情感態(tài)度與價值觀

（1）經(jīng)歷從問題情境創(chuàng)設(shè)到解決問題的過程，培養(yǎng)學生的問題意識及物理問題解決能力[1].培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W研究態(tài)度.

（2）通過聯(lián)系實際生活，讓學生感知科技在生活生產(chǎn)中的應用，使學生感受到科學與生活息息相關(guān)，培養(yǎng)學生學習物理的興趣

3重、難點分析

（1）教學重點

① 掌握并理解向心力的概念.

② 會用向心力的公式，解決一些簡單的問題.（2）教學難點

向心力的來源及公式的應用.

4教學思想

本節(jié)課為了提高學生對所學知識的興趣，通過一段視頻，引入生活中的圓周運動，創(chuàng)設(shè)生動的教學情境，利用演示實驗法來探究向心力的特點以及它與有關(guān)物理量的關(guān)系.

5課前準備

教師自制實驗儀器，測力計，鉤碼，光電門測速儀，天平等.

6主要教學過程

6.1 引入新課

教師首先用PPT展示生活中一些常見的圓周運動現(xiàn)象，例如：火車轉(zhuǎn)彎，摩天輪、繞地球運動的衛(wèi)星、空中飛椅等，它們都在做勻速圓周運動.那么是什么力迫使它們做圓周運動？這個力在運動過程中有什么特點？這就是今天將要學習的問題—向心力.

6.2 新課教學

探究1 向心力的建立

創(chuàng)設(shè)物理情境：一根細線的一端系著一個小球，另一端用圖釘固定在光滑的水平桌面上，給小球一個初速度，則小球在光滑桌面上以圖釘為圓心做勻速圓周運動，如圖1所示.

然后教師提出一系列問題：做勻速運動的小球受幾個力？重力和支持力有什么關(guān)系？若剪斷細線，小球?qū)⒆鍪裁催\動？是哪個力迫使小球做勻速圓周運動？

引導學生回答問題.

結(jié)論：做勻速圓周運動的物體，所受合外力總指向圓心，故稱之為向心力 （F_n） ；向心力只改變速度的方向不改變速度大小；向心力是根據(jù)作用效果命名的.

探究2 向心力的大小思考：向心力的大小與哪些物理量有關(guān)？

猜想：可能與圓周運動中線速度、質(zhì)量、半徑等物理量有關(guān).

先通過一個自制的簡易小實驗進行定性驗證.

實驗器材：細繩、純凈水瓶.

結(jié)論：向心力的大小與物體的質(zhì)量、線速度、半徑等物理量有關(guān).

探究3物體的質(zhì)量、線速度、半徑三者與向心力有什么定量關(guān)系？

通過自制的實驗儀器對其進行研究.

（1）實驗方法：控制變量法.

實驗裝置：如圖2所示.

實驗器材說明：電子測力計（可以測量峰值），滑輪（質(zhì)量比較輕且摩擦力較?。?，不同質(zhì)量的鉤碼（質(zhì)量都比較大且?guī)в姓诠馄?，光電門.

實驗原理：如圖3所示，先用刻度尺測出1號滑輪到鉤碼中心（近似重心）的距離，接著把鉤碼拉至某一位置，細線和1號滑輪分離，然后釋放鉤碼（釋放時要保持讓鉤碼、細線、1號滑輪三者共面），當鉤碼運動到某位置時，細線與1號滑輪接觸，此時鉤碼開始以1號滑輪為圓心做圓周運動.鉤碼運動到最低位置時，細線拉力最大，此時測力計就記下此時細線拉力值（峰值），通過光電門測出鉤碼運動到最低點時的速度.由于鉤碼質(zhì)量比較大，故細線的拉力比較大，且遠大于滑輪和輪軸之間的摩擦力；所以實驗過程可以忽略滑輪和輪軸之間的摩擦力.

（2）實驗步驟及操作① 探討向心力與鉤碼質(zhì)量的關(guān)系.

準備6個不同質(zhì)量的鉤砝，分別用細線連接，從同一高度釋放，控制 r 和 v 不變，當它運動到最低點時讀出測力計的讀數(shù).由公式 ，可以計算出小球向心力的大小.記錄數(shù)據(jù)，完成表1.

實驗數(shù)據(jù)處理：為了減小實驗誤差并且便于形象直觀地得出實驗結(jié)論，可以通過繪制 F_n-m 圖像.

② 探討向心力與鉤碼速度的關(guān)系.

用同一個鉤碼從不同高度釋放，控制其 r 和 ψ_m 不變.當鉤碼運動到最低點時，記錄好通過光電門的時間，算出小球的速度，并讀出此時測力計的讀數(shù)，完成表2.由公式 F_n=F_M-mg ，可以計算出小球向心力的大小.

實驗數(shù)據(jù)處理：為了減小實驗誤差并且便于形象直觀得出實驗結(jié)論，可以通過繪制 Fn-v 圖像，這時會發(fā)現(xiàn)圖像與二次函數(shù)圖像相似，

③ 探討向心力與軌道半徑的關(guān)系.

用同一個鉤碼從同一高度靜止釋放，通過改變1號滑輪的高度進而改變鉤碼運動的軌道半徑，控制 ψ_m 和 v 不變.當鉤碼運動到最低點時，通過測力計讀出此時測力計的讀數(shù)，完成表3.由公式 F_n=F_d^∣g∣ -mg ，可以計算出小球向心力的大小.

實驗數(shù)據(jù)處理：為了減小實驗誤差并且便于形象直觀得出實驗結(jié)論，可以通過繪制 F_n-r 圖像，這時會發(fā)現(xiàn)圖像與反比例函數(shù)圖像相似.

在演示實驗法中，教師應注意引導學生了解實驗器材的原理及基本操作方法，正確記錄實驗數(shù)據(jù)，科學處理分析實驗數(shù)據(jù)；從而提高學生的觀察和實踐能力，認識實驗在物理規(guī)律探究中的重要性，

④ 分析與論證.

實驗得出： 即

通過上面三組實驗數(shù)據(jù)代入計算發(fā)現(xiàn) k=1 所以向心力公式， 探究4 變速圓周運動與一般曲線運動的關(guān)系

及特點.實驗：使純凈水瓶在頭頂上方的做速度越來越

快的圓周運動.實驗現(xiàn)象：細線沒有沿半徑方向且線速度越來

越大.結(jié)論：非勻速圓周運動的物體所受合力不指向

圓心.引導分析：在變速圓周運動中，合力一般不指向

圓心，根據(jù)力產(chǎn)生的作用效果，可以把合力分解為兩

個相互垂直的分力：一個沿切線方向的分力，一個沿徑向方向的分力（向心力）.切線方向的分力，使得純凈水瓶的線速度越來越大，故切線方向的分力只改變速度大?。粡较蚍较虻姆至χ桓淖兙€速度的方向.

一般的曲線運動：

（1）定義：運動軌跡是曲線且不是圓周的運動，稱之為一般的曲線運動2」.（2）處理辦法：曲線可以看成由無數(shù)個小圓弧組成，因此可以將曲線運動分割無數(shù)個小段，物體在每小段上的運動看成圓周運動.這樣，物體在曲線上某段的運動就可以用圓周運動知識處理了[3-4].

7板書設(shè)計：勻速圓周運動的向心力

定義：勻速圓周運動所受的合力稱之為向心力.方向：指向圓心.

大?。? 或者 F_n=mω²r

性質(zhì)：只改變線速度的方向，不改變速度大小.

8結(jié)語

本節(jié)課重點以理解向心力為核心，它是以后學習天體運動、帶電粒子在勻強磁場運動等有關(guān)知識的關(guān)鍵一課.通過實例分析和學生動手實驗，激發(fā)學生學習物理知識的興趣，增強學生的探知欲，引導學生直觀感受向心力的來源及大小，理解向心力與什么物理量有關(guān)，從而使學生逐步建立起向心力的概念，體會物體做勻速圓周運動的根本原因，將抽象問題具體化.通過圓錐擺實驗探究向心力大小與線速度、質(zhì)量、半徑的定量關(guān)系，推導出向心力的公式，進而拉近科學與學生的距離，也體現(xiàn)了物理學科的簡潔美、方法美、實驗美；提高學生學習物理的興趣.在教學過程中，教師需精準設(shè)計問題，承上啟下，層層遞進，為新知識的學習搭建橋梁，

參考文獻：

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[3]林春艷.高中物理曲線運動的考點分析與總結(jié)[J].數(shù)理天地（高中版），2024（8）：6—7.

[4]莫章榮.深度學習理論下的高中物理課堂重構(gòu)—以“曲線運動”為例[J].數(shù)理天地（高中版），2023（14）：51一53.