融合信息技術(shù)，化解圓周運(yùn)動知識難點(diǎn)

鄭洪均

摘? ?要：“圓周運(yùn)動”是魯科版（2019）必修第二冊第3章內(nèi)容。其中“皮帶傳動”兩輪緣和皮帶上各點(diǎn)線速度大小相等、“火車轉(zhuǎn)彎”圓周運(yùn)動平面、“過山車”過最高點(diǎn)等圓周運(yùn)動知識是本章的教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)。文章立足教育實(shí)踐，探究融合信息技術(shù)，化解高中物理課堂教學(xué)中的圓周運(yùn)動知識難點(diǎn)。以期實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新物理教學(xué)模式，促進(jìn)物理教學(xué)水平的提升，提高物理課堂教學(xué)的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；高中物理；圓周運(yùn)動

引言

圓周運(yùn)動是生活中常見的物理現(xiàn)象之一。是高中物理研究的重要內(nèi)容。通過購買和自制符合物理情境的實(shí)驗(yàn)教具，與信息技術(shù)相融合，呈現(xiàn)真實(shí)、直觀的物理課堂教學(xué)。學(xué)生通過觀察和參與圓周運(yùn)動實(shí)驗(yàn)探究的過程，體會通過科學(xué)探究和解釋自然現(xiàn)象的樂趣，提高對物理現(xiàn)象到本質(zhì)的認(rèn)知，形成物理規(guī)律的結(jié)論。

1 傳統(tǒng)圓周運(yùn)動教學(xué)中存在的問題

1.1? “皮帶傳動”皮帶與兩輪緣各點(diǎn)速度大小相等問題

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)作為主心骨的自然科學(xué)，很多物理概念或物理規(guī)律的得出都依托于實(shí)驗(yàn)[ 1 ]。教師不僅要傳授學(xué)生基本知識，還要培養(yǎng)學(xué)生建立模型的能力和分析綜合能力。在傳統(tǒng)教學(xué)中，在 “皮帶傳動兩輪緣和皮帶上各點(diǎn)線速度大小相等” 這抽象性強(qiáng)的知識時(shí)。往往采用講授法，或利用動畫模擬展示皮帶傳動的兩輪做勻速圓周運(yùn)動模型如圖1。學(xué)生難以有效觀察到兩輪緣與皮帶線速度相等的實(shí)際物理現(xiàn)象。沒能有效突破這一知識難點(diǎn)。在運(yùn)用這一物理知識時(shí)，只能靠記憶來套用到有關(guān)的物理情境的題目中去解題。

1.2? “火車轉(zhuǎn)彎”圓周運(yùn)動平面問題

“火車轉(zhuǎn)彎”是第3節(jié)“離心現(xiàn)象”的知識內(nèi)容。為了給火車提供轉(zhuǎn)彎時(shí)所需的向心力，火車軌道通常設(shè)計(jì)為外高內(nèi)低。車速合適的話，火車輪緣與軌道之間沒有擠壓。只由火車受到的重力和車輪與軌道接觸面的支持力的合力來提供向心力。在傳統(tǒng)教學(xué)中，采用網(wǎng)上搜索的有關(guān)火車轉(zhuǎn)彎的視頻資料展示，并不能清晰、完整地呈現(xiàn)出火車轉(zhuǎn)彎運(yùn)動過程。授課時(shí)學(xué)生普遍因?yàn)榛疖嚺c軌道的接觸面傾斜，從而認(rèn)為火車做的是沿著軌道接觸面的傾斜圓周運(yùn)動，如圖2所示。學(xué)生無法透過現(xiàn)象看本質(zhì)，在遇到這類問題和情境的應(yīng)用中經(jīng)常碰壁。

1.3? “過山車”過最高點(diǎn)的臨界條件問題

“過山車”是豎直平面內(nèi)圓周運(yùn)動分析的一個(gè)實(shí)例應(yīng)用。在課堂演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，大部分學(xué)校采用課本迷你實(shí)驗(yàn)室相同或相似的“過山車實(shí)驗(yàn)裝置”，如圖3所示。將小球從斜軌的某一高度釋放。然后逐漸改變小球釋放高度，觀察小球能否通過軌道最高點(diǎn)而不脫離軌道運(yùn)行。由于運(yùn)動過程短。小球脫離軌道過程一閃而過。學(xué)生難以清晰、完整地觀察小球脫離軌道過程。沒能清晰地對比通過和沒通過最高點(diǎn)這兩個(gè)運(yùn)動過程。造成學(xué)生對此提不起學(xué)習(xí)興趣。教學(xué)效果不理想。

2? 融合信息技術(shù)，化解圓周運(yùn)動知識難點(diǎn)實(shí)踐

2.1? 皮帶傳動線速度關(guān)系教學(xué)實(shí)踐

為了有效化解“皮帶傳動”皮帶與兩輪緣各點(diǎn)速度大小相等知識難點(diǎn)，本文制作皮帶傳動裝置教具，如圖4。該教具由木質(zhì)支架、皮帶、大小傳動輪、小線條、手搖把手構(gòu)成。將線條粘于皮帶上。在小傳動輪的輪緣用顏料涂上參照點(diǎn)A，大傳動輪的輪緣涂上參照點(diǎn)B。信息技術(shù)設(shè)備需要手機(jī)、三腳架、手機(jī)支架、電腦等。手機(jī)打開熱點(diǎn)，建立手機(jī)與電腦網(wǎng)絡(luò)連接。打開希沃助手的直播功能。利用手機(jī)現(xiàn)場拍攝演示實(shí)驗(yàn)，在電腦屏幕上同步直播演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生通過電腦屏幕清晰地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)操作：（1）轉(zhuǎn)動手搖把手，觀察小傳動輪上的A點(diǎn)與線條末端重合時(shí)的運(yùn)動情況。如圖5甲、圖5乙所示。

（2）轉(zhuǎn)動手搖把手，觀察小傳動輪上的B點(diǎn)與線條末端重合時(shí)的運(yùn)動情況。如圖6甲、圖6乙所示。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)A、B兩點(diǎn)分別與線條末端重合，在轉(zhuǎn)動過程中，與線條末端均保持相對靜止。在相同時(shí)間，走過相同的弧長。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在皮帶不打滑情況下，皮帶傳動兩輪緣和皮帶上各點(diǎn)線速度大小相等。

通過現(xiàn)場物理演示實(shí)驗(yàn)融合信息技術(shù)，將演示過程清晰地呈現(xiàn)給學(xué)生。調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得到物理結(jié)論，掌握物理知識和規(guī)律，有效地突破“皮帶傳動兩輪邊緣和皮帶上各點(diǎn)線速度大小相等”這一知識難點(diǎn)。為線速度相等情況下，通過角速度比較勻速圓周運(yùn)動的快慢做好相關(guān)的知識儲備。

2.2? ?“火車轉(zhuǎn)彎”仿真模型教學(xué)實(shí)踐

高中生處于身心發(fā)展不完善的階段，缺乏生活實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[ 2 ]。大部分教師授課采用網(wǎng)絡(luò)上火車轉(zhuǎn)彎的圖片或視頻素材，這些素材展示的火車轉(zhuǎn)彎大部分只是圓周的一部分。而幾乎沒有火車在完全閉合的圓軌道做完整圓周運(yùn)動的模型演示。學(xué)生構(gòu)建不出正確的火車轉(zhuǎn)彎模型。難以理解“火車轉(zhuǎn)彎”接觸面傾斜，而圓周運(yùn)動平面卻是水平。為了有效突破這一知識難點(diǎn)。筆者通過網(wǎng)絡(luò)資源，購買帶有輪緣火車和完整閉合圓形軌道的仿真火車模型。通過安裝9片可拆裝的火車軌道片，構(gòu)成外高內(nèi)低的完整且閉合的圓形軌道，如圖7、圖8。

教學(xué)活動：（1）將仿真火車模型和外高內(nèi)低的閉合圓形火車軌道模型于各小組之間傳遞觀察。引導(dǎo)學(xué)生注意觀察火車輪緣構(gòu)造和圓形軌道。

（2）在講臺上演示火車模型在閉合圓形軌道做圓周運(yùn)動。同時(shí)結(jié)合信息技術(shù)，利用手機(jī)拍攝不同角度火車轉(zhuǎn)彎的演示視頻，通過微信，將課堂拍攝的火車轉(zhuǎn)彎演示視頻傳輸?shù)诫娔X。在電腦大屏播放演示視頻，清晰呈現(xiàn)模擬火車轉(zhuǎn)彎過程的圓周運(yùn)動過程。

通過實(shí)際課堂的“火車轉(zhuǎn)彎”仿真模型的觀察和體驗(yàn)，結(jié)合演示視頻的觀看進(jìn)行授課，學(xué)生清晰地觀察到雖然軌道外高內(nèi)低，但火車在轉(zhuǎn)彎時(shí)是以閉合圓形軌道做水平平面的勻速圓周運(yùn)動。學(xué)生能夠構(gòu)建出正確的“火車轉(zhuǎn)彎”物理模型如圖9。從而找到合外力指向水平圓周運(yùn)動平面的圓心。有效地化解“火車轉(zhuǎn)彎”知識難點(diǎn)。

2.3? ?慢動作探究“過山車”運(yùn)動

如何讓學(xué)生清楚地觀察不同速度的“過山車”運(yùn)動過程。筆者通過探索和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)目前手機(jī)大部分具有慢動作拍攝功能。筆者以華為mate 20 pro手機(jī)“慢動作”功能進(jìn)行視頻拍攝為例。打開手機(jī)相機(jī)，選擇“更多”→“慢動作”便可啟用手機(jī)“慢動作”拍攝功能。其中拍攝幀數(shù)有32X（960幀/秒）、8X（240幀/秒）、4X（120幀/秒）三檔可選。由于32X拍攝只能由手機(jī)自動檢測運(yùn)動物體，無法手動控制拍攝啟動和關(guān)閉，且拍攝時(shí)長限制在10 s，不利于實(shí)驗(yàn)過程拍攝。而8X可手動開啟拍攝錄制和手動停止錄制，錄制時(shí)間無限制。因此可選擇8X拍攝。手機(jī)“慢動作”操作界面如圖10所示。

“過山車”演示實(shí)驗(yàn)教具左端由小車和三檔可選的彈射裝置、釋放開關(guān)按鍵構(gòu)成。底部裝有橡皮筋彈射裝置。通過擺放小車到離釋放按鍵開關(guān)不同距離，選擇不同檔位進(jìn)行彈射，可使小車獲得不同的初速度，進(jìn)入圓形軌道做豎直平面圓周運(yùn)動。

教學(xué)活動：（1）讓學(xué)生觀察教具模型，了解演示實(shí)驗(yàn)的教具構(gòu)造。

（2）將手機(jī)放置于三腳架上固定好。打開手機(jī)“慢動作”功能，選擇8X倍速。邀請一位學(xué)生點(diǎn)擊開始和停止“慢動作”實(shí)驗(yàn)視頻錄制。師生一起合作實(shí)驗(yàn)演示和探究。

實(shí)驗(yàn)操作：首先教師先將小車和推射器推至第一檔低速彈射裝置上做好彈射準(zhǔn)備。讓學(xué)生點(diǎn)擊開始錄制，釋放開關(guān)按鍵，彈射小車。在小車掉落到軌道后停止錄制。通過手機(jī)選擇小車通過圓形軌道的那部分運(yùn)動過程，進(jìn)行慢動作處理。將處理好的視頻通過微信傳輸?shù)诫娔X播放展示。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： “慢動作”的視頻展示清楚地呈現(xiàn)了小車在豎直圓軌道上未能通過軌道最高點(diǎn)，便脫離軌道掉落下來的整個(gè)慢動作過程。其中脫離過程視頻截圖如圖11所示。

提出思考：小車怎樣才能過最高點(diǎn)，做完整圓周運(yùn)動不掉下來？

對比實(shí)驗(yàn)：將彈射器置于第二檔，使小車獲得更大初速度。學(xué)生點(diǎn)擊開始錄制后，釋放開關(guān)按鍵。在小車運(yùn)動到軌道右側(cè)末端后停止錄制。并在手機(jī)處理慢動作視頻后，通過微信傳輸?shù)诫娔X播放實(shí)驗(yàn)過程視頻。

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：獲得較高速度的小車，能夠沿著軌道通過最高點(diǎn)不掉下來，做完整的圓周運(yùn)動。

“慢動作”對比“過山車”演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生清晰地觀察了小車豎直平面圓周運(yùn)動的動態(tài)過程。給學(xué)生帶來了強(qiáng)烈的視覺沖擊。提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。結(jié)合運(yùn)動狀態(tài)受力分析，讓學(xué)生深刻理解豎直平面圓周運(yùn)動的動力學(xué)特征。通過課堂教學(xué)實(shí)踐，確實(shí)有效地提高了學(xué)生解決此類問題的能力。

3? 結(jié)語

以魯科版（2019）的“圓周運(yùn)動”為例。堅(jiān)持育人為本，理論聯(lián)系實(shí)際，創(chuàng)新教學(xué)模式。教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考和討論，提高學(xué)生對物理知識學(xué)習(xí)的興趣以及探索精神。通過融合信息技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示和探究，學(xué)生清晰地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。透過現(xiàn)象對本質(zhì)進(jìn)行科學(xué)的分析和思考，使學(xué)生形成物理觀念，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)思維。教師引導(dǎo)學(xué)生對物理模型進(jìn)行構(gòu)建和分析，使學(xué)生掌握了物理規(guī)律，提高了學(xué)生物理知識的應(yīng)用能力。發(fā)揮信息技術(shù)優(yōu)勢，更新教學(xué)觀念，創(chuàng)新教學(xué)模式。讓課堂教學(xué)變得更加靈活，師生共同探究更加生動。切實(shí)有效地提高了課堂教學(xué)效果，促進(jìn)了師生共同發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 鄭巧燕. 基于學(xué)科核心素養(yǎng)的高中物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究：以“教科版必修 1”為例[D].成都：四川師范大學(xué)，2018.

［2］ 梁鴻輝. 信息技術(shù)深度融合下的高中物理核心素養(yǎng)教學(xué)研究[J].中小學(xué)電教，2020.