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1、創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)提升課堂實(shí)效
摘要]物理是一門自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)教具是輔助課堂教學(xué)的有效工具，能有效幫助學(xué)生理解知識(shí)。文章以?向心力?教學(xué)為例，探討“借助教具創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化課堂教學(xué)〞。實(shí)際教學(xué)中，可以通過(guò)圓盤實(shí)驗(yàn)和圓錐擺實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生形象直觀地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)向心力的來(lái)源，突破實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)。通過(guò)DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)探究向心力的大小，提高學(xué)生自主探究的能力。
[關(guān)鍵詞]創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn);向心力
[中圖分類號(hào)]
[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A
[文章編號(hào)]1674-6058〔2021〕23-0052-02
?向心力?是認(rèn)識(shí)圓周運(yùn)動(dòng)的根底，也是學(xué)好圓周運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。高一學(xué)
2、生的抽象思維能力和邏輯推理能力不強(qiáng)，生活中缺乏對(duì)向心力的認(rèn)識(shí)。而在實(shí)際問(wèn)題中，有關(guān)向心力的問(wèn)題是多種多樣的，用傳統(tǒng)講授法進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生難以理解向心力的本質(zhì)，難以正確分析向心力，在分析實(shí)際問(wèn)題時(shí)，往往容易出錯(cuò)。實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科的生命線，離開(kāi)實(shí)驗(yàn)，物理只是躺在課本上的知識(shí)。充分運(yùn)用實(shí)驗(yàn)輔助課堂教學(xué)，使知識(shí)更加豐富立體，使課堂充滿活力。
為了突破本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，筆者根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)制作教具，讓學(xué)生通過(guò)觀察現(xiàn)象，用已學(xué)過(guò)的知識(shí)分析受力，總結(jié)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體的受力情況，進(jìn)而引出向心力的概念和來(lái)源，有效突破難點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。再利用DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)進(jìn)行向心力大小的探究，使學(xué)生對(duì)向心力從感性認(rèn)識(shí)上
3、升到理性認(rèn)識(shí)。
一、運(yùn)用有趣的小實(shí)驗(yàn)設(shè)疑，激發(fā)學(xué)生的好奇心和探索欲望
實(shí)驗(yàn)?zāi)芸焖傥龑W(xué)生的眼球和注意力。如何用一個(gè)螺母使礦泉水瓶爬升〔如圖1〕？可以引發(fā)學(xué)生積極思考與熱烈討論，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)直接抬起塑料管不能使礦泉水瓶爬升，而讓細(xì)線帶著小螺母做圓周運(yùn)動(dòng)那么能把礦泉水瓶提起來(lái)。這樣引入實(shí)驗(yàn)趣味性高，在教學(xué)過(guò)程中，不少學(xué)生都想嘗試。個(gè)別學(xué)生在摸索的過(guò)程中，其他學(xué)生也能積極參與討論，給出意見(jiàn)。通過(guò)思考和參與實(shí)驗(yàn)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到物體做圓周運(yùn)動(dòng)需要一個(gè)力，從而引出對(duì)這個(gè)力的研究。這樣的引入貼合本節(jié)課的內(nèi)容，流暢自然。
二、用自制教具演示兩個(gè)勻速圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，分析向心力，突破教學(xué)難點(diǎn)
本節(jié)課的難點(diǎn)是
4、理解向心力的概念，會(huì)分析向心力的來(lái)源。傳統(tǒng)的教學(xué)是直接告訴學(xué)生做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到了指向圓心的合力。這樣引入比較生硬，在后面有關(guān)問(wèn)題的分析中，學(xué)生不能正確分析出向心力的來(lái)源，不能很好地理解向心力是效果力.導(dǎo)致學(xué)生在對(duì)物體進(jìn)行受力分析時(shí)多分析一個(gè)向心力。筆者從便于觀察和研究出發(fā)，制作了以下兩個(gè)實(shí)驗(yàn)器材幫助學(xué)生建立向心力的概念，學(xué)會(huì)分析向心力的來(lái)源。
演示實(shí)驗(yàn)1：盤上小物體隨盤做勻速圓周運(yùn)動(dòng)
盤上小物體隨盤做勻速圓周運(yùn)動(dòng)是一種常見(jiàn)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)的根本模型。學(xué)生不能直接看出物體的受力情況，只能根據(jù)理論分析，物體除了受重力和支持力外，還可能受到摩擦力的影響，直接根據(jù)向心力的特點(diǎn)給出摩擦力的方向
5、。沒(méi)有基于對(duì)現(xiàn)象的觀察和分析，生硬地給出摩擦力提供向心力，學(xué)生難以理解向心力是效果力，因此，學(xué)生在后續(xù)的相關(guān)問(wèn)題的分析中經(jīng)常出錯(cuò)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者受到學(xué)習(xí)靜摩擦力時(shí)常用毛刷作為實(shí)驗(yàn)器材的啟發(fā)，在圓盤上固定一個(gè)毛刷，再將物體放在毛刷上做實(shí)驗(yàn)。當(dāng)物體隨圓盤做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，學(xué)生能直觀地觀察到毛刷發(fā)生了彎曲，可以知道物體此時(shí)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，說(shuō)明物體除了受重力和支持力作用外，還受到了靜摩擦力作用。通過(guò)毛刷彎曲的方向，分析出物體所受的靜摩擦力方向是時(shí)刻指向圓心的。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生分析出物體在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力特點(diǎn)：物體所受的摩擦力〔即合力〕時(shí)刻指向圓心。通過(guò)這樣的實(shí)驗(yàn)，把不易觀察的現(xiàn)象變?yōu)榭捎^察
6、、可分析的形象，有效地降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。
演示實(shí)驗(yàn)2：圓錐接
如圖2所示，將繩子的一端與力的傳感器相接，靜止時(shí)拉力的大小等于物體的重力，即此時(shí)傳感器的數(shù)值為物體重力的大小。物體由馬達(dá)帶動(dòng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的拉力大小也由傳感器測(cè)得，角度通過(guò)量角器測(cè)量。這樣可以知道物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的重力和拉力的大小和方向，然后引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)作力的圖示得出物體受到的合力的大小和方向。改變物體轉(zhuǎn)動(dòng)速度的快慢多做幾組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)比照不同轉(zhuǎn)速下物體所受的合力，分析出物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)合力的特點(diǎn)：合力時(shí)刻指向圓心。學(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，作圖分析得出物體的合力。使學(xué)生充分參與整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，探究出合力
7、的特點(diǎn)，加深學(xué)生對(duì)向心力的理解。
從以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，總結(jié)出物體在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的合力時(shí)刻都指向圓心，引出向心力的概念：做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體受到總指向圓心的合力。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)我們把這個(gè)力叫作向心力。這樣引入向心力的概念，過(guò)渡自然，學(xué)生理解深刻到位，學(xué)生更容易理解向心力是效果力，是物體所受的合力。
在教學(xué)實(shí)踐中，學(xué)生思維活潑，通過(guò)認(rèn)真觀察、思考分析、總結(jié)規(guī)律再抽象出概念。學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，提升觀察能力和分析、概括能力。
三、通過(guò)兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)本節(jié)重點(diǎn)內(nèi)容——向心力的大小
分析了向心力的來(lái)源和方向，接下來(lái)是本節(jié)課的重點(diǎn)：探究向心力的大小。傳統(tǒng)的教學(xué)方法用圓錐粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式。
8、這個(gè)方法實(shí)際操作難度大，分析過(guò)程也不簡(jiǎn)單，對(duì)學(xué)生能力要求較高。另一種方法是使用向心力演示儀，這個(gè)方法不容易保持物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，而且實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較粗糙不精確。以上兩種方法都只是驗(yàn)證向心力的表達(dá)式，在DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)日趨成熟的條件下，由學(xué)生自主探究向心力的大小更尊重知識(shí)的生成過(guò)程，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、合作精神和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?
筆者的設(shè)計(jì)是先通過(guò)小實(shí)驗(yàn)的感受，分析出影響向心力大小的因素，讓學(xué)生對(duì)向心力的大小有定性的了解，再利用DIS數(shù)字實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定量分析。通過(guò)傳感器測(cè)量物體做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力和線速度，便于學(xué)生探究向心力大小與質(zhì)量、線速度和半徑的關(guān)系，數(shù)據(jù)處理方便簡(jiǎn)潔，可以通過(guò)圖像的方法探尋物理量之
9、間的關(guān)系式，這樣，更加直觀和科學(xué)。兩個(gè)探究性實(shí)驗(yàn)，不僅提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ€讓學(xué)生經(jīng)歷了科學(xué)的研究過(guò)程：提出問(wèn)題一分析問(wèn)題一解決問(wèn)題，讓學(xué)生感受到了通過(guò)探索獲取物理知識(shí)的成就感，提高了學(xué)習(xí)的積極性。
學(xué)生通過(guò)筆者提供的器材讓螺母做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)比較，直觀感受到半徑越小、質(zhì)量越大，轉(zhuǎn)動(dòng)得越快，手感受到的力就越大。定性分析出向心力大小與半徑、質(zhì)量和線速度的簡(jiǎn)單關(guān)系，為下一步定量分析打好根底，可以根據(jù)這一簡(jiǎn)單關(guān)系設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。
采用數(shù)字實(shí)驗(yàn)，用控制變量法探究向心力大小與質(zhì)量、半徑和角速度的定量關(guān)系?？刂瀑|(zhì)量和半徑一定，探究向心力和角速度的關(guān)系;控制角速度和質(zhì)量一定，探究向心力和半徑
10、的關(guān)系;控制角速度和半徑一定，探究向心力和質(zhì)量的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)中傳感器將實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)傳輸給電腦，引導(dǎo)學(xué)生用圖像法分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出向心力與質(zhì)量、半徑和角速度的圖像，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)分析出向心力大小的表達(dá)式。
利用傳感器和數(shù)字手段，可以快速準(zhǔn)確地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)潔方便地分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以使學(xué)生從簡(jiǎn)單、機(jī)械和繁雜的數(shù)據(jù)處理中解脫出來(lái)，更專注地討論和探究物理量之間的關(guān)系。
本次研究中，通過(guò)圓盤實(shí)驗(yàn)和圓錐擺實(shí)驗(yàn)改進(jìn)教學(xué)，對(duì)學(xué)生直觀了解向心力，建立向心力的概念有很大的幫助。接著通過(guò)科學(xué)探究得出向心力大小的表達(dá)式，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)探索精神。這樣通過(guò)實(shí)驗(yàn)把學(xué)習(xí)內(nèi)容串聯(lián)起來(lái)的課堂，層層遞進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣，充滿活力，學(xué)生參與度高，對(duì)知識(shí)理解到位，能有效提高教學(xué)質(zhì)量。
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〔易志毅〕
創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)提升課堂實(shí)效
