創(chuàng)新實驗設計 培養(yǎng)學科素養(yǎng)

危淑虹 施生晶

摘? ?要：創(chuàng)新性實驗有利于培養(yǎng)學生的物理學科素養(yǎng)。本文通過毛刷彎曲現(xiàn)象，實驗探究：靜摩擦力提供向心力;利用自制教具定性探究：影響向心力大小的因素;利用朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)定量探究：向心力大小;通過創(chuàng)新實驗解決物理教與學困境，讓學生對向心力認識更透徹，有效提升學生的科學探究素養(yǎng)。

關鍵詞：創(chuàng)新實驗;學科素養(yǎng);向心力

物理是以實驗為基礎的學科，成功的物理實驗，直接影響學生對于物理的概念與物理規(guī)律的理解。筆者設計了創(chuàng)新性實驗，結(jié)合信息技術，對向心力進行了科學探究，提升了課堂的教學效率，培養(yǎng)了學生物理學科素養(yǎng)。

1? 實驗探究：靜摩擦力提供向心力

制作背景：物體隨盤做圓周運動是常見模型。物體除了受重力和支持力外，還受到靜摩擦力，因為學生不能直接觀察到物體的受力，若直接給出靜摩擦力的方向，生硬地告知學生靜摩擦力為其提供向心力，學生難以理解，在后續(xù)相關問題的解答，學生常會出錯。

實驗器材：轉(zhuǎn)盤、毛刷、重物、細繩等。

學生演示：把重物放在毛刷上方，用細繩把毛刷、重物固定在轉(zhuǎn)盤上，轉(zhuǎn)動手柄，讓毛刷、重物隨轉(zhuǎn)盤一起做圓周運動。

學生觀察：豎直位置的毛，向外發(fā)生彎曲，如圖1所示。

實驗分析：當物體隨著圓盤旋轉(zhuǎn)做圓周運動時，學生觀察到：毛刷發(fā)生了彎曲，判斷物體具有相對滑動的趨勢，因此除了受到重力和支持力之外，還受到靜摩擦力的作用。通過分析毛刷彎曲的方向，從而得到物體在隨圓盤做圓周運動時所受到的靜摩擦力方向，引導學生分析物體在做圓周運動：靜摩擦力時刻地指向轉(zhuǎn)動平面的圓心。

實驗結(jié)論：物體隨著圓盤做勻速圓周運動時，物體受到的靜摩擦力，提供物體做圓周運動的向心力。

通過演示實驗，把不易被觀察到的靜摩擦力方向轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N可以觀察到、可分析到的現(xiàn)象，有效地減少了學生在課堂上的學習困難，很好地突破了教學的重點和難點。

2? 定性探究：影響向心力大小的因素

實驗器材：兩個乒乓球（一個裝沙子，一個未裝），兩根棉線，兩個筆套，兩個裝了部分水的礦泉水瓶，如圖2所示。

學生演示：手握筆套，快速將乒乓球旋轉(zhuǎn)，讓乒乓球在水平面內(nèi)做圓周運動。

實驗現(xiàn)象：裝沙子的乒乓球做圓周運動后，礦泉水瓶被提起來了。在轉(zhuǎn)速相同的提前下，沒裝沙子的乒乓球做圓周運動并沒有將礦泉水瓶提起。

設計意圖：利用低成本的原材料即可自制實驗器材，使學生們切身感受到現(xiàn)實生活中處處有物理。通過乒乓球提礦泉水瓶，讓學生體驗、感受向心力的大小。

學生演示：教師引導學生演示3個實驗;加快轉(zhuǎn)速;增加繩長（轉(zhuǎn)動半徑）;增大乒乓球質(zhì)量（裝沙子），讓學生觀察乒乓球提礦泉水瓶的效果，從而讓學生猜想影響拉力大小的因素。

學生猜想：學生討論交流，提出自己見解;乒乓球提礦泉水瓶的拉力大小跟球的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動的半徑、轉(zhuǎn)速（角速度）有關。

提出問題：如果我們能夠準確地測出質(zhì)量、半徑、角速度等數(shù)值，再深入地研究它們之間的相互關系，一定更可靠，進而引出本節(jié)課學習目標，形成定量的研究思路，制定一個探究的方案，要運用"控制變量法"來研究向心力跟物體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動半徑、角速度之間的相互關系。

3? 定量探究：向心力大小

3.1? 朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)

實驗器材：計算機、向心力實驗儀、傳感器、調(diào)速器等，如圖3所示。

測量設備介紹：槽碼做圓周運動時的半徑，在螺旋臂上能直接讀出;力傳感器直接測得槽碼做圓周運動的向心力;電機控制器能改變槽碼做圓周運動的角速度（如圖4）。

實驗裝置特點：朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)，通過傳感器快速對數(shù)據(jù)進行采集，利用DISLab向心力軟件，計算機智能化進行數(shù)據(jù)處理，實驗效果好，有效提高課堂效率[ 1 ]。

3.2? 實驗探究

探究一：向心力與角速度的關系

打開朗威DISLab向心力研究Ⅱ軟件，點擊"研究向心力與角速度的關系";在操作界面上輸入實驗相關參數(shù)：擋光柱寬度Δs、擋光柱到圓心的距離d、槽碼的質(zhì)量m=0.02 kg槽碼的轉(zhuǎn)動半徑r=0.10 m（如圖5）。

3.3? 數(shù)據(jù)采集

調(diào)節(jié)角速度控制器（如圖4），將角速度調(diào)為6.07 rad/s，待懸臂轉(zhuǎn)動穩(wěn)定后，點擊"記錄數(shù)據(jù)"，計算機屏幕顯示向心力大小隨時間變化的圖線，接著點擊"停止記錄"→"選取F值"，將鼠標移至圖線較穩(wěn)定的區(qū)域，從而選取F值，完成第一組數(shù)據(jù)的選取。再依次將角速度控制器調(diào)制為10.10 rad/s、14.12 rad/s、18.14 rad/s、20.13 rad/s、22.16 rad/s，按之前的步驟依次操作，待六組數(shù)據(jù)全部選取，得到圖線（如圖6）。

采集數(shù)據(jù)是學生必須掌握的一項重要技巧，也是今后繼續(xù)從事科學研究和實踐的一項重要基本功，通過對數(shù)據(jù)采集的過程，培養(yǎng)了學生對于實驗數(shù)據(jù)真實性的認識與嚴謹科學態(tài)度。

3.4? 數(shù)據(jù)處理與分析

3.4.1? 人工繪圖畫圖像

選用合適的坐標軸比例，用圖6采集到的實驗數(shù)據(jù)，在坐標紙上用“X”符號進行描點，畫F-ω關系的圖像，為了能夠使圖線真實地反映兩個測量值之間的關系，要根據(jù)測量點與圖線的大體形狀合理地選取;因?qū)嶒灤嬖谡`差，要仔細分析后決定取舍，畫出圖像（如圖7），可能是雙曲線、拋物線、圓弧一部分等。

教師引導學生用“化曲為直”的方法，將非線性圖像轉(zhuǎn)化為線性圖像[ 2 ]。同樣，利用圖6中的數(shù)據(jù)描點，畫F-ω2關系的圖像（如圖8），使盡量多的點落在直線上，不在直線上的點大致均勻地分布在兩側(cè)，偏離直線太遠的點，數(shù)據(jù)“異?！?，誤差較大。學生分析畫出的圖像，會得出：F與ω2成線性關系。

人工繪制圖像，能培養(yǎng)學生的記錄、處理、分析數(shù)據(jù)等實驗技能，能培養(yǎng)學生細致、耐心、求實的實驗素養(yǎng);通過圖像處理數(shù)據(jù)過程，能提升學生實驗探究素養(yǎng)。但人工繪圖占用大量時間，受課堂時間的限制，且誤差較大，目前教師較少使用。

3.4.2? 利用朗威DISLab軟件畫圖

利用朗威DISLab軟件畫圖。點擊窗口“F-ω”，得到圖像（如圖9），再點擊“F-ω2”，得到F-ω2圖像（如圖10）。

利用朗威DISLab軟件畫圖，設置相關物理量，實時采集實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以表格的形式及時顯示，軟件能實時進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果以圖像形式顯示;探究者不需要讀數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)，不要人工繪圖，只需點擊鼠標，操作簡單，短時間內(nèi)能完成實驗，可以集中精力進行實驗探究，有效提高實驗效率。

實驗結(jié)論：槽碼的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動半徑不變，向心力F與角速度ω2成正比。

探究二：向心力與轉(zhuǎn)動半徑的關系

打開朗威DISLab軟件，輸入實驗相關參數(shù)：槽碼的質(zhì)量0.02 kg，調(diào)節(jié)角速度為20.14 rad/s;把半徑調(diào)至0.04 m處。點擊“記錄數(shù)據(jù)”，按之前的步驟依次操作選取F值，測出第一組數(shù)據(jù)。將半徑依次調(diào)至0.06 m、0.08 m、0.10 m、0.11 m、0.12 m處，測出六組力F的數(shù)據(jù)，點擊窗口“F-r”，得到F-r圖像（如圖11）。

實驗結(jié)論：槽碼的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動角速度保持不變，向心力F與轉(zhuǎn)動槽碼的半徑r成正比。

探究三：向心力與質(zhì)量的關系

在朗威DISLab操作界面上輸入實驗相關參數(shù)：將質(zhì)量為10 g的槽碼放置在半徑為0.01 m的位置，調(diào)節(jié)角速度為10.12 rad/s。

點擊"記錄數(shù)據(jù)"，按之前的步驟依次操作選取F值，測出第一組數(shù)據(jù)F=0.10 N;將槽碼質(zhì)量調(diào)至為20 g、30 g、40 g、50 g、60 g處，測出六組力F數(shù)據(jù)，點擊窗口“F-m”，得到F-m圖像（如圖12）。

實驗結(jié)論：槽碼的轉(zhuǎn)動半徑、角速度都保持不變，向心力F與槽碼的質(zhì)量m成正比。

把朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)引入課堂，實驗操作簡便、快捷，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的精準快速測量及處理，實驗結(jié)果以圖像的形式展示，學生可以直觀地判斷各個物理量之間定性的關系。得出結(jié)論：物體做圓周運動，所需要的向心力F與物體的質(zhì)量m 、轉(zhuǎn)動半徑r 、轉(zhuǎn)動的角速度ω2成正比。同時讓學生們在課堂上體會到了探究的快樂，調(diào)動和激發(fā)學生的學習興趣，提高了學生的學科素養(yǎng)。

在物理實驗教學中，教師要融合信息技術，不斷改進實驗，通過創(chuàng)新性的實驗，讓實驗現(xiàn)象更直觀，不斷提高教學質(zhì)量，不斷促進學生物理素養(yǎng)的發(fā)展，不斷促進教師的專業(yè)成長。

參考文獻：

[1] 余雪妹.高中物理DIS實驗與傳統(tǒng)實驗整合初探[J].物理教學探討，2011（9）：29-32.

[2] 施生晶. 提升“科學探究”素養(yǎng)的教學實踐[J].中小學實驗與裝備，2021（2）：15-18.

3071500338265