开发创新实验资源培养学生核心素养

2018-08-31

物理之友 2018年8期

(首都师范大学附属丽泽中学，北京 100071)

创新实验资源是科学探究教学的重要内容，也是落实课程目标、全面提高学生核心素养的重要途径。这就迫切要求中学物理教师要善于吸收教育科学及物理学的最新成果，拓宽自己的知识面，挖掘出教材所蕴涵的探究性因素，精心设计相应的探究性课题，开发创新实验资源，以更好地培养学生的科学探究能力，使其逐步形成科学态度与责任。

1 源于师生的困惑

放在转盘上的物块随转盘一起做匀速圆周运动时，它与转盘保持相对静止，那么它们之间的静摩擦力的方向该怎么判定？有些学生常常认为，静摩擦力的方向与物体的运动趋势方向相反，木块随转盘一起匀速转动，运动时有沿切线方向飞出的趋势，因此静摩擦力的方向应该沿切线方向，这是一种较普遍的错误认识，其原因是忽略了研究运动时所选用的参考系。

通常所说的做匀速圆周运动的物体有沿线速度方向飞出的趋势，是指以地面为参考系而言的。而静摩擦力的方向总是跟相对运动的趋势方向相反，这应该是对相互接触的两个物体来说的，即是对物块与转盘而言的。然而以转盘为参考系，教会学生判定物块相对于转盘面的运动趋势，是困扰高中物理教师的一大难题，无论怎样解释，学生还是不理解，最后往往从物块做匀速圆周运动时必受一个指向圆心的向心力作用来分析，所以物块所受静摩擦力必定指向圆心，以提供向心力，最后学生虽然记住了这个结论，到头来还是没有真正搞懂。到底在高中阶段能不能突破这一难题呢？为此笔者设计了一个创新实验以期能突破它。

2 旋转参考系中液滴运动的实验研究

笔者自制了“判定转盘物块静摩擦力方向的演示仪”，如图1所示，把铝塑板剪成一个大的圆盘面，取一个硬质塑料转柄，通过木螺丝固定于铝塑板圆盘面上，在塑料转柄凹孔内插入一不锈钢细棒，用销钉螺丝销住。

图1

图2

如图2所示，取一个手摇皮带轮传动机械，把不锈钢转轴插进皮带轮传动机械的凹槽中，使铝面朝下，白色塑料面朝上，再用销钉螺丝拴紧，这样整个装置安装完毕。

该创新实验的另一个重要环节是配制适当的溶液，取20毫升止咳糖浆，倒入小塑料杯，再滴入少许蓝黑墨水，搅拌均匀即可。本实验对溶液要求较高，不稀不稠，溶液配制不好，将会前功尽弃。本人进行了大约三百多次实验，最后找到了这种溶液配置方法，实验效果较好。

3 实验过程及观测

如图3所示，首先把皮带轮传动机械放置在水平工作台面上，摇动手柄，稳定后使转盘匀速转动。请一位学生作为助手，手持装有溶液的小塑料杯，置于转盘上方高15厘米处，待转盘高速旋转稳定后，指导学生对准转盘半径的中点处倒下混合液，形成细长水流并快速完成。为了防止溶液飞溅身上，在操作台的后面请另一位学生立起一块挡板。随着匀速转动，小液滴便从盘面上飞溅开来，再保持转盘稳定地旋转一会儿，待有颜色液体变干后停止摇动手柄。此时学生屏气凝神，盘上径迹到底会是什么样的呢？

图3

图4

笔者请一位学生大胆猜想，他脱口而出：圆形的、往外扩，像蜗牛壳形状。到底是不是如此呢？这里笔者吊足了学生胃口，以激发学生强烈的探究欲望，观摩的老师们也纷纷拿出手机准备拍摄。笔者卸下转盘，在投影仪上展示，令在场的师生大吃一惊，形成的径迹如图4所示，巧妙地完成了旋转参考系中液滴运动的实验展示，课后评课时老师说这个创新实验太震撼了，小液滴相对转盘的运动径迹沿半径方向向外，一目了然，事实胜于雄辩。

4 实验结论及理论分析

笔者所自制的转盘上表面是白色塑料,所以比较光滑，它成功展示了圆盘匀速转动时小液滴与转盘的相对运动，说明图2中物块随转盘一起做匀速圆周运动时，虽说与转盘相对静止，但具有相对于转盘沿半径向外运动的趋势。我们判定相对静止物体之间的相对运动趋势时，总是假想接触面光滑，所以说该实验近似模拟了匀速圆周运动中小液滴与转盘的相对运动，突破了物块随转盘一起做匀速圆周运动时静摩擦力方向判定的难题。应用该实验探究，结果一目了然，既激发了学生的兴趣，又使他们终生难忘。

针对数学功底较好的学生，我们也可以通过理论来论证如下:首先把问题简化，抽象建模，把研究的物块看作质点，它随转盘匀速转动，设某一时刻质点在距转轴O距离为R的圆弧上的A点，经过很短的时间Δt，以速率v匀速转动到A1点，转过的圆心角的弧度值为α,如图5所示,则质点转过的弧长为l1=Rα=vΔt。

如图5所示,如果圆盘光滑，由于惯性，质点将沿圆的切线飞出，即经过很短的时间Δt，沿A点的切线方向以原有的速率v移到A2点，则质点沿切线运动的长度为AA2=l2=vΔt=Rtanβ，在相同时间Δt内，质点转过的弧长等于其切线长，则α=tanβ，根据数学知识可知：当β很小时，角度的弧度值等于其正切值，β=tanβ，则α=β。即在质点转过角度很小时，点A1与A2跟转轴O三点共线(如图6),说明转盘光滑时质点会沿半径远离圆心，即质点在随转盘一起匀速转动时有远离圆心的运动趋势，所以静摩擦力的方向与离心趋势相反，沿半径方向指向圆心。