创新物理实验提升课堂实效

傅春晖

[摘要]物理是一门自然科学，实验是物理教学中必不可少的一个环节，实验教具是辅助课堂教学的有效工具，能有效帮助学生理解知识。文章以《向心力》教学为例，探讨“借助教具创新实验，优化课堂教学”。实际教学中，可以通过圆盘实验和圆锥摆实验，让学生形象直观地观察实验现象，认识向心力的来源，突破实验难点。通过DIS数字实验探究向心力的大小，提高学生自主探究的能力。

[关键词]创新实验;DIS数字实验;向心力

[中图分类号]

G633.7

[文献标识码] A

[文章编号] 1674-6058（ 2020） 23-0052-02

《向心力》是认识圆周运动的基础，也是学好圆周运动的关键。高一学生的抽象思维能力和逻辑推理能力不强，生活中缺乏对向心力的认识。而在实际问题中，有关向心力的问题是多种多样的，用传统讲授法进行教学，学生难以理解向心力的本质，难以正确分析向心力，在分析实际问题时，往往容易出错。实验是物理学科的生命线，离开实验，物理只是躺在课本上的知识。充分运用实验辅助课堂教学，使知识更加丰富立体，使课堂充满活力。

为了突破本节课的重点和难点，笔者根据教学内容设计制作教具，让学生通过观察现象，用已学过的知识分析受力，总结做匀速圆周运动物体的受力情况，进而引出向心力的概念和来源，有效突破难点，培养学生的科学思维。再利用DIS数字实验进行向心力大小的探究，使学生对向心力从感性认识上升到理性认识。

一、运用有趣的小实验设疑，激发学生的好奇心和探索欲望

实验能快速吸引学生的眼球和注意力。如何用一个螺母使矿泉水瓶爬升（如图1）？可以引发学生积极思考与热烈讨论，学生通过实验发现直接抬起塑料管不能使矿泉水瓶爬升，而让细线带着小螺母做圆周运动则能把矿泉水瓶提起来。这样引入实验趣味性高，在教学过程中，不少学生都想尝试。个别学生在摸索的过程中，其他学生也能积极参与讨论，给出意见。通过思考和参与实验，学生认识到物体做圆周运动需要一个力，从而引出对这个力的研究。这样的引入贴合本节课的内容，流畅自然。

二、用自制教具演示两个匀速圆周运动实验，分析向心力，突破教学难点

本节课的难点是理解向心力的概念，会分析向心力的来源。传统的教学是直接告诉学生做匀速圆周运动的物体受到了指向圆心的合力。这样引入比较生硬，在后面有关问题的分析中，学生不能正确分析出向心力的来源，不能很好地理解向心力是效果力.导致学生在对物体进行受力分析时多分析一个向心力。笔者从便于观察和研究出发，制作了以下两个实验器材帮助学生建立向心力的概念，学会分析向心力的来源。

演示实验1：盘上小物体随盘做匀速圆周运动

盘上小物体随盘做匀速圆周运动是一种常见的匀速圆周运动的基本模型。学生不能直接看出物体的受力情况，只能根据理论分析，物体除了受重力和支持力外，还可能受到摩擦力的影响，直接根据向心力的特点给出摩擦力的方向。没有基于对现象的观察和分析，生硬地给出摩擦力提供向心力，学生难以理解向心力是效果力，因此，学生在后续的相关问题的分析中经常出错。为了解决这个问题，笔者受到学习静摩擦力时常用毛刷作为实验器材的启发，在圆盘上固定一个毛刷，再将物体放在毛刷上做实验。当物体随圆盘做匀速圆周运动时，学生能直观地观察到毛刷发生了弯曲，可以知道物体此时有相对运动的趋势，说明物体除了受重力和支持力作用外，还受到了静摩擦力作用。通过毛刷弯曲的方向，分析出物体所受的静摩擦力方向是时刻指向圆心的。进而引导学生分析出物体在做匀速圆周运动时的受力特点：物体所受的摩擦力（即合力）时刻指向圆心。通过这样的实验，把不易观察的现象变为可观察、可分析的形象，有效地降低了学生的学习难度。

演示实验2：圆锥接

如图2所示，将绳子的一端与力的传感器相接，静止时拉力的大小等于物体的重力，即此时传感器的数值为物体重力的大小。物体由马达带动做匀速圆周运动，此时的拉力大小也由传感器测得，角度通过量角器测量。这样可以知道物体做匀速圆周运动时所受到的重力和拉力的大小和方向，然后引导学生通过作力的图示得出物体受到的合力的大小和方向。改变物体转动速度的快慢多做几组实验，通过对比不同转速下物体所受的合力，分析出物体做匀速圆周运动时合力的特点：合力时刻指向圆心。学生通过观察实验，记录数据，作图分析得出物体的合力。使学生充分参与整个实验的过程，探究出合力的特点，加深学生对向心力的理解。

从以上两个实验中，总结出物体在做匀速圆周运动时受到的合力时刻都指向圆心，引出向心力的概念：做匀速圆周运动的物体受到总指向圆心的合力。根据这个特点我们把这个力叫作向心力。这样引入向心力的概念，过渡自然，学生理解深刻到位，学生更容易理解向心力是效果力，是物体所受的合力。

在教学实践中，學生思维活跃，通过认真观察、思考分析、总结规律再抽象出概念。学生在学习的过程中，提升观察能力和分析、概括能力。

三、通过两个探究实验学习本节重点内容——向心力的大小

分析了向心力的来源和方向，接下来是本节课的重点：探究向心力的大小。传统的教学方法用圆锥粗略验证向心力的表达式。这个方法实际操作难度大，分析过程也不简单，对学生能力要求较高。另一种方法是使用向心力演示仪，这个方法不容易保持物体做匀速圆周运动，而且实验结果比较粗糙不精确。以上两种方法都只是验证向心力的表达式，在DIS数字实验日趋成熟的条件下，由学生自主探究向心力的大小更尊重知识的生成过程，有利于培养学生的科学态度、合作精神和实验能力。

笔者的设计是先通过小实验的感受，分析出影响向心力大小的因素，让学生对向心力的大小有定性的了解，再利用DIS数字实验进行定量分析。通过传感器测量物体做圆周运动的向心力和线速度，便于学生探究向心力大小与质量、线速度和半径的关系，数据处理方便简洁，可以通过图像的方法探寻物理量之间的关系式，这样，更加直观和科学。两个探究性实验，不仅提高了学生的实验能力，还让学生经历了科学的研究过程：提出问题一分析问题一解决问题，让学生感受到了通过探索获取物理知识的成就感，提高了学习的积极性。

探究实验1.探究向心力的大小与哪些因素有关

学生通过笔者提供的器材让螺母做匀速圆周运动，通过比较，直观感受到半径越小、质量越大，转动得越快，手感受到的力就越大。定性分析出向心力大小与半径、质量和线速度的简单关系，为下一步定量分析打好基础，可以根据这一简单关系设计实验方案。

探究实验2.利用DI数字实验进行探究性实验

采用数字实验，用控制变量法探究向心力大小与质量、半径和角速度的定量关系。控制质量和半径一定，探究向心力和角速度的关系;控制角速度和质量一定，探究向心力和半径的关系;控制角速度和半径一定，探究向心力和质量的关系。在实验中传感器将实验采集的数据传输给电脑，引导学生用图像法分析实验数据，得出向心力与质量、半径和角速度的图像，运用数学知识分析出向心力大小的表达式。

利用传感器和数字手段，可以快速准确地记录实验数据，简洁方便地分析实验数据，可以使学生从简单、机械和繁杂的数据处理中解脱出来，更专注地讨论和探究物理量之间的关系。

本次研究中，通过圆盘实验和圆锥摆实验改进教学，对学生直观了解向心力，建立向心力的概念有很大的帮助。接着通过科学探究得出向心力大小的表达式，培养学生的实验能力和科学探索精神。这样通过实验把学习内容串联起来的课堂，层层递进，环环相扣，充满活力，学生参与度高，对知识理解到位，能有效提高教学质量。

[参考文献]

[1]刘秋伟.基于DIS的高中物理探究实验的教学研究[J].教育（文摘版），2017（2）：82.

[2]张秀梅，刘玲.用数字化信息系统（DIS）优化和开发高中物理学生实验：以“动量守恒定律实验”为例[J]物理教学，2016（12）：21-25.

[3]夏红燕.创新实验设计优化高中物理教学过程[J].教师博览（科研版），2014（1）：52-53.

（责任编辑 易志毅）