用進階探究突破高中物理實驗教學(xué)難點①
——以“向心力”教學(xué)為例

施生晶 鄭昌洋

(福建省三明市第二中學(xué),福建 三明 365000)

向心力是高中物理的重點和難點，教材要求通過實驗探究影響向心力大小的因素。在實際教學(xué)中，因?qū)嶒炂鞑牡闹萍s，有時很難達到教材的要求。在教學(xué)實踐中，通過定性、半定量、定量的方法進行科學(xué)探究，突破教學(xué)困境，可幫助學(xué)生理解向心力，對影響向心力的相關(guān)因素有更加清楚的認識。在實驗探究過程中，教師要制訂探究方案，促進學(xué)生進行深度學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力和實驗探究能力。

1 自制教具，定性感知

實驗：利用乒乓球提礦泉水瓶

實驗器材：如圖1所示，乒乓球1、乒乓球2(裝沙子)、圓珠筆套、細繩、多個礦泉水瓶(水的質(zhì)量不同)。

圖1

學(xué)生演示：手握筆套，使乒乓球在水平面內(nèi)做圓周運動(表1)。

表1

師生互動：讓兩個學(xué)生轉(zhuǎn)動乒乓球，在實驗中感知向心力。學(xué)生觀察到提起礦泉水的難易程度不同，跟轉(zhuǎn)動的技術(shù)有關(guān)嗎？學(xué)生交換實驗裝置，轉(zhuǎn)動乒乓球，觀察到：剛才容易提礦泉水的同學(xué)，現(xiàn)在卻做不到。學(xué)生會思考：是什么原因影響了提礦泉水效果？他們急切想知道結(jié)論，激發(fā)了學(xué)生的求知欲。

現(xiàn)象分析：礦泉水瓶被提離桌面，是受到繩子的拉力，拉力使乒乓球做圓周運動。

設(shè)計意圖：利用乒乓球提礦泉水瓶,實驗簡單、有趣，通過演示實驗，學(xué)生獲得感性認識，初步體驗向心力;調(diào)動學(xué)生好奇心，當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)乒乓球質(zhì)量(裝沙子)不同，產(chǎn)生拉力不同，對探究向心力大小的愿望強烈。

引導(dǎo)探究：學(xué)生討論交流，提出用控制變量的方法研究影響向心力大小的因素，設(shè)計“影響提礦泉水拉力大小的因素”探究方案(表2),并動手進行實驗探究。

表2

教師設(shè)置利用乒乓球提礦泉水實驗，創(chuàng)設(shè)物理學(xué)習(xí)情境，確定學(xué)習(xí)進階目標(biāo)，學(xué)生積極參與3級進階活動：看→猜→做，讓學(xué)生在實驗過程中體會成功的喜悅；培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析和解決問題的能力，提升學(xué)生的關(guān)鍵能力，領(lǐng)會科學(xué)探究方法，提高科學(xué)思維能力，讓物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)在探究過程中落地生根。

2 分組實驗，半定量探究

分組實驗是學(xué)生在教師指導(dǎo)下進行的小組合作完成實驗的教學(xué)形式，學(xué)生動手操作，觀察現(xiàn)象、收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、得出結(jié)論，在實驗過程中一直處于主動學(xué)習(xí)的狀態(tài)。分組實驗使學(xué)生產(chǎn)生探究物理現(xiàn)象與規(guī)律的興趣，能培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力與探究能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。

實驗器材：向心力演示器、鐵球、鉛球(圖2)。

圖2

實驗探究：介紹演示器的結(jié)構(gòu)和功能，學(xué)生動手操作，熟悉儀器的使用，進行猜想。

通過實驗操作，學(xué)生體會到：做圓周運動的物體需要向心力，會更有根據(jù)猜想影響向心力大小的因素。學(xué)生通過思考、討論、交流，提出猜想。

本實驗采用什么研究方法？如何進行控制變量？需要記錄什么數(shù)據(jù)？如何比較向心力的大小？引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計探究方案(表3),小組分工合作進行實驗探究。

表3

師生互動：小組展示數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，交流探究成果，得出結(jié)論。

提出問題：各小組的實驗數(shù)據(jù)為何存在差異？對實驗裝置的改進有什么建議？

學(xué)生回答：不同小組搖手柄的速度不同，該裝置只能粗略讀露出格子數(shù)。在實驗中，測出力、線速度或角速度大小，就能定量研究各物理量之間的關(guān)系。

提出問題：為了測量力、線速度或角速度大小，需要哪些器材？

改進方案：測量力用彈簧測力計、力傳感器；測量線速度用計時器與紙帶、光電門傳感器。

提出問題：測力和線速度的裝置要如何安裝？

師生互動：學(xué)生提出不同的安裝方案，教師要及時針對可能出現(xiàn)的問題，指導(dǎo)學(xué)生解決。

在師生交流過程中，學(xué)生領(lǐng)悟了科學(xué)探究的方法；在思維的升華中，提升了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力；布置課題，讓能力強的學(xué)生進行研究性學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和積極性，感受研究的樂趣。

利用向心力演示器進行分組實驗，可操作性高，學(xué)生積極參與，并樂于探究，能提高學(xué)生的動手能力，讓學(xué)生體驗成功的喜悅；在教師引導(dǎo)下，學(xué)生在探究中發(fā)現(xiàn)問題，層層遞進，進行深度學(xué)習(xí)，敢于質(zhì)疑，思考更好的解決方案，并表達自己的想法，有利于提高學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究能力。

3 創(chuàng)新實驗，定量探究

3.1 實驗創(chuàng)新

近些年，很多教學(xué)研究者對定量探究向心力大小進行了探索，自制了各類實驗裝置，實現(xiàn)對角速度和向心力的測量。具有代表性的新式測量裝置把單片機、藍牙無線、步進電機、手機投屏、電機遙控等現(xiàn)代信息技術(shù)手段應(yīng)用到向心力實驗儀中，[1][2]在實際教學(xué)中達到了預(yù)期效果。這些開發(fā)的新儀器，個人制造困難、器材較笨重、實驗操作繁瑣、測量原理不直觀、測量精度有待提高，在處理數(shù)據(jù)時都用到Excel軟件，師生需要一定的時間繪制圖像，才能得出結(jié)論。DIS系統(tǒng)可視性強、操作方便、效率高、測量誤差小、數(shù)據(jù)處理簡潔，可以提髙實驗的質(zhì)量，有效提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。[3]

3.2 DIS應(yīng)用

實驗器材：向心力實驗器、力傳感器、光電門傳感器、電機控制器、計算機(圖3)。

圖3

測量裝置：標(biāo)有質(zhì)量的槽碼若干個；標(biāo)有刻度的旋臂，能直接讀出轉(zhuǎn)動半徑；電機控制器直接顯示轉(zhuǎn)動的角速度(圖4)，能靈活準確地改變槽碼做勻速圓周運動的角速度；用力傳感器測槽碼做圓周運動的向心力大小。

圖4

3.3 實驗過程

探究實驗一：保持物體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動半徑不變，探究向心力大小F與角速度ω的關(guān)系。

(1) 打開“DISLab向心力Ⅱ”軟件，點擊“研究向心力與角速度的關(guān)系”。

(2) 設(shè)置槽碼質(zhì)量為0.02kg,轉(zhuǎn)動半徑為0.1m,調(diào)整電機控制器旋紐，使物體轉(zhuǎn)動的角速度為6.07rad/s。

(3) 物體轉(zhuǎn)動穩(wěn)定后，點擊“開始記錄”，數(shù)據(jù)框?qū)崟r顯示向心力F隨t變化的動態(tài)圖像，依次點擊“停止記錄”“選取F值”，在圖線顯示區(qū)中，選取F穩(wěn)定的一段(圖5)；再點擊“記錄數(shù)據(jù)”記錄第1組數(shù)據(jù)(表4)；最后點擊“清除本次記錄”。

圖5

(4) 調(diào)整電機控制器旋紐，改變物體轉(zhuǎn)動的角速度，重復(fù)(3)的操作,記錄第2組數(shù)據(jù)，共記錄6組數(shù)據(jù)(表4)；

表4 向心力與角速度的關(guān)系(m=0.02kg,r=0.1m)

(5) 點擊“F-ω圖像”，在圖線顯示區(qū)中得到數(shù)據(jù)點在坐標(biāo)系內(nèi)的分布圖,顯示F和ω的關(guān)系，數(shù)據(jù)點的分布具有拋物線特征(圖6)。如何將非線性圖像轉(zhuǎn)化為線性圖像？

圖6

用“化曲為直”的方法，引導(dǎo)學(xué)生把ω轉(zhuǎn)為ω2后，點擊“F-ω2圖像”,在圖線顯示區(qū)中得到數(shù)據(jù)點在坐標(biāo)系內(nèi)的分布圖,顯示F-ω2的圖像，圖像清晰、直觀(圖7),數(shù)據(jù)點的分布是一條過原點的直線。

圖7

探究實驗二：保持物體的轉(zhuǎn)動半徑、角速度不變，探究向心力大小F與質(zhì)量m的關(guān)系。

(1) 設(shè)置轉(zhuǎn)動半徑為0.1m,調(diào)整電機控制器旋紐，使物體轉(zhuǎn)動的角速度為10.12rad/s,槽碼質(zhì)量為0.01kg。

(2) 重復(fù)探究一實驗(3)的操作，記錄第1組數(shù)據(jù)(表5)。

(3) 改變槽碼質(zhì)量，重復(fù)(2)的操作,記錄第2組數(shù)據(jù)，共記錄6組數(shù)據(jù)(表5)。

表5 向心力與質(zhì)量的關(guān)系(r=0.1m,ω=10.12rad/s)

(4) 數(shù)據(jù)處理，點擊“F-m圖像”，在圖線顯示區(qū)中得到數(shù)據(jù)點在坐標(biāo)系內(nèi)的分布圖,顯示F-m的圖像(圖8)，數(shù)據(jù)點的分布是一條過原點的直線。

圖8

學(xué)生得出結(jié)論：當(dāng)物體的角速度、轉(zhuǎn)動半徑不變時，向心力大小F與質(zhì)量m成正比。

探究實驗三：物體的質(zhì)量、角速度不變，探究向心力大小F與轉(zhuǎn)動半徑r的關(guān)系。

(1) 設(shè)置槽碼的質(zhì)量m=0.02kg(圖9),調(diào)整電機控制器旋紐，使物體轉(zhuǎn)動的角速度為20.11rad/s，轉(zhuǎn)動半徑為0.03m。

圖9

(2) 重復(fù)探究一實驗(3)的操作，記錄第1組數(shù)據(jù)(表6)。

表6 向心力與半徑的關(guān)系(m=0.02kg,ω=20.11rad/s)

(3) 改變槽碼轉(zhuǎn)動半徑，重復(fù)(2)的操作，記錄第2組數(shù)據(jù)，共記錄6組數(shù)據(jù)(表6)。

(4) 點擊“F-r圖像”，在圖線顯示區(qū)中得到數(shù)據(jù)點在坐標(biāo)系內(nèi)的分布圖,顯示F-r的圖像，發(fā)現(xiàn)圖像沒有過原點。

教師提出問題：為什么圖像不過原點？師生就實驗誤差進一步討論，學(xué)生思考在實驗過程中出現(xiàn)的問題，提出：力或半徑的測量有誤差，進而找出槽碼有一定形狀，不能當(dāng)成質(zhì)點，導(dǎo)致半徑測量誤差較大(圖9)。學(xué)生得出結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)點的分布是一條過原點的直線，當(dāng)物體的質(zhì)量、角速度不變時，向心力大小F與轉(zhuǎn)動半徑r成正比(圖10)。

圖10

實驗探究能力是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，利用DIS系統(tǒng)，實驗操作簡便、靈活、快捷，實驗機構(gòu)反應(yīng)靈敏，能實時對數(shù)據(jù)進行采集，學(xué)生只需點擊鼠標(biāo)，軟件就能快速進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果以圖像的形式顯示，直觀地呈現(xiàn)各物理量之間的定量關(guān)系，學(xué)生對所研究的問題會有更加深入的了解，感受到信息技術(shù)的魅力，體驗到科學(xué)探究的樂趣。學(xué)生經(jīng)歷了定量實驗探究過程，養(yǎng)成了嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實事求是的科學(xué)精神，發(fā)展了科學(xué)探究的能力，養(yǎng)成了良好的科學(xué)思維習(xí)慣。