基于實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“曲線運(yùn)動(dòng)”教學(xué)為例

魯 斌

(浙江省余姚中學(xué)，浙江 寧波 315400)

在“曲線運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)為質(zhì)點(diǎn)沿曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向、物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件。筆者以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為依托，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，從特殊到一般，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，呈現(xiàn)物理情境，引領(lǐng)學(xué)生建構(gòu)物理模型，提高他們的科學(xué)思維。

1 曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向

1.1 一個(gè)質(zhì)點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)

(1) 將壘球用細(xì)線懸掛，牽引細(xì)線，使壘球在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生觀察壘球運(yùn)動(dòng)軌跡以及速度方向。

(2) 利用科學(xué)玩具——直升機(jī)模型(圖1)，進(jìn)行飛行演示，觀察扇葉邊緣質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及速度方向。

圖1

(3)觀察圖片，在磨砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中鐵屑飛出的方向(圖2)。

圖2

結(jié)論1：某一質(zhì)點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度方向沿著圓周在該點(diǎn)的切線方向。

1.2 大量做圓周運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)的速度方向

演示所需材料為：電光花、小電機(jī)、轉(zhuǎn)盤、電池。

電光花屬于煙花產(chǎn)品中的一種，采用燃點(diǎn)較低的金屬粉末，經(jīng)過(guò)一定比例加工而成。燃燒時(shí)，火星四射、絢麗奪目(圖3)。

圖3

如圖4所示，將演示材料進(jìn)行組合，將電光花均勻繞在轉(zhuǎn)盤上。點(diǎn)燃電光花，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，電機(jī)帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，便能在空中觀察到火星飛離圓盤邊緣的徑跡(圖5)。

圖4

圖5

結(jié)論2：做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，它們每一點(diǎn)的速度方向都沿著圓周在該點(diǎn)的切線方向。

1.3 任意軌道實(shí)驗(yàn)：從特殊到一般

演示所需材料為：鼠標(biāo)球、水寫布、木板、泡沫板、強(qiáng)磁鐵，組成的實(shí)驗(yàn)儀器如圖6所示。

圖6

(1) 在平板上留下1號(hào)板2號(hào)板，讓鼠標(biāo)球沿斜軌道滑下，并在水寫布上留下如圖7所示的軌跡，從中可以看出：鼠標(biāo)球沿著切線方向脫離軌道。

圖7

(2) 在平板上留下1到4號(hào)板，重復(fù)上述步驟，在水寫布上留下如圖8所示的軌跡，從中可以看出：鼠標(biāo)球仍沿著切線方向脫離軌道。

圖8

結(jié)論3：質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的速度，沿曲線在該點(diǎn)的切線方向。

1.4 利用《幾何畫(huà)板》進(jìn)行理論推導(dǎo)

利用《幾何畫(huà)板》可以進(jìn)行從割線到切線的演示，基本步驟為選取坐標(biāo)→繪制函數(shù)→確定兩點(diǎn)→射線連接→移動(dòng)數(shù)據(jù)點(diǎn)。圖9展示了利用《幾何畫(huà)板》進(jìn)行演示的過(guò)程。

圖9

結(jié)論4：從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面，我們都能得出結(jié)論：質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的速度方向，沿曲線在該點(diǎn)的切線方向。

1.5 通過(guò)“鏈球”實(shí)驗(yàn)應(yīng)用知識(shí)

(1) 觀看投擲鏈球視頻。

(2) 模擬鏈球?qū)嶒?yàn)。

將鼠標(biāo)球蘸水后放入圓筒內(nèi)，并給球一個(gè)初速度。這樣，鼠標(biāo)球就沿著筒壁做圓周運(yùn)動(dòng)。在適當(dāng)時(shí)刻，將圓筒拿開(kāi)，小球便沿著圓周的切線方向運(yùn)動(dòng)(圖10)。

圖10 模

(3) 設(shè)計(jì)“護(hù)籠”的形狀

教師提問(wèn)：場(chǎng)地四周為何要設(shè)“U”型護(hù)籠？

利用課件展示鏈球從A、B、C三點(diǎn)飛出的速度方向與軌跡(圖11)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“護(hù)籠”范圍的設(shè)計(jì)，最后給出整體設(shè)計(jì)方案。

圖11

2 做曲線運(yùn)動(dòng)的條件的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 曲線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)

(1) 教師提問(wèn)：曲線運(yùn)動(dòng)是變速運(yùn)動(dòng)嗎？

(2) 理論分析：曲線運(yùn)動(dòng)→變速運(yùn)動(dòng)→有加速度→一定受力(圖12)。

圖12

2.2 分析曲線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

(1) 讓兩位同學(xué)上臺(tái)投擲飛鏢，觀察飛鏢的運(yùn)動(dòng)徑跡。

(2) 播放投擲飛鏢視頻的慢鏡頭(圖13)，讓學(xué)生仔細(xì)觀察飛鏢的速度方向與受力的關(guān)系。

圖13

結(jié)論1：做曲線運(yùn)動(dòng)的物體，其所受外力與速度方向不在同一直線上。

2.3 實(shí)驗(yàn)演示，加深理解

讓鼠標(biāo)球從斜面滾下，比較有無(wú)磁鐵和磁鐵放置方向不同情況下在水寫布中留下徑跡的變化。

(1) 讓鼠標(biāo)球自然滾下，它沿直線運(yùn)動(dòng)(圖14a)。

圖14

(2) 當(dāng)鼠標(biāo)球所受力方向與速度方向一致時(shí)，它仍沿直線運(yùn)動(dòng)(圖14b)。

(3) 當(dāng)鼠標(biāo)球所受力方向與速度方向不一致，球向磁鐵側(cè)偏轉(zhuǎn)(圖14c、圖14d)。

結(jié)論2：物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件為：物體所受合力的方向與它的速度方向不在同一條直線上。

結(jié)論3：曲線偏轉(zhuǎn)的規(guī)律：曲線凹側(cè)的指向?yàn)楹贤饬Ψ较颉?/p>

2.4 演示任意軌道實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行驗(yàn)證、拓展

(1) 教師提問(wèn)：使鼠標(biāo)球做完整的曲線運(yùn)動(dòng)，哪幾塊板會(huì)受力？受力的方向如何？哪幾塊板可以拿掉？

(2) 依次撤去2號(hào)板、4號(hào)板、5號(hào)板，觀察鼠標(biāo)球是否能做完整的曲線運(yùn)動(dòng)？通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：留下的板可以保證鼠標(biāo)球做曲線運(yùn)動(dòng)。

圖15

2.5 聯(lián)系實(shí)際，綜合運(yùn)用

通過(guò)分析大河、大江轉(zhuǎn)彎處水的受力，進(jìn)而解釋兩岸呈現(xiàn)的不同地理面貌。

3 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

電光花的燃燒時(shí)間一般是18 s，應(yīng)在這段時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。在繞制電光花時(shí)，應(yīng)注意盡量不要讓其碎裂脫落，否則燃燒會(huì)中斷。

任意軌道實(shí)驗(yàn)有許多設(shè)計(jì)方案，筆者利用水寫布、鼠標(biāo)球、泡沫板的組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。水寫布遇水變黑，水蒸發(fā)后恢復(fù)白色，干凈衛(wèi)生。鼠標(biāo)球相較于小鋼球的優(yōu)勢(shì)在于吸水性好，體積大，可以留下較長(zhǎng)的徑跡。泡沫板可以用電熱切割機(jī)進(jìn)行切割、制作，相較于軟管道的優(yōu)勢(shì)在于可以任意組合。

在探究物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件實(shí)驗(yàn)中，四個(gè)步驟的實(shí)驗(yàn)過(guò)程缺一不可，特別是通過(guò)對(duì)不放磁鐵和受力方向與速度方向一致兩個(gè)過(guò)程的探究，對(duì)物體做直線運(yùn)動(dòng)的條件進(jìn)行了有效的復(fù)習(xí)。