创新实验设计 培养学科素养

危淑虹 施生晶

摘   要：创新性实验有利于培养学生的物理学科素养。本文通过毛刷弯曲现象，实验探究：静摩擦力提供向心力;利用自制教具定性探究：影响向心力大小的因素;利用朗威数字化信息系统定量探究：向心力大小;通过创新实验解决物理教与学困境，让学生对向心力认识更透彻，有效提升学生的科学探究素养。

关键词：创新实验;学科素养;向心力

物理是以实验为基础的学科，成功的物理实验，直接影响学生对于物理的概念与物理规律的理解。笔者设计了创新性实验，结合信息技术，对向心力进行了科学探究，提升了课堂的教学效率，培养了学生物理学科素养。

1  实验探究：静摩擦力提供向心力

制作背景：物体随盘做圆周运动是常见模型。物体除了受重力和支持力外，还受到静摩擦力，因为学生不能直接观察到物体的受力，若直接给出静摩擦力的方向，生硬地告知学生静摩擦力为其提供向心力，学生难以理解，在后续相关问题的解答，学生常会出错。

实验器材：转盘、毛刷、重物、细绳等。

学生演示：把重物放在毛刷上方，用细绳把毛刷、重物固定在转盘上，转动手柄，让毛刷、重物随转盘一起做圆周运动。

学生观察：竖直位置的毛，向外发生弯曲，如图1所示。

实验分析：当物体随着圆盘旋转做圆周运动时，学生观察到：毛刷发生了弯曲，判断物体具有相对滑动的趋勢，因此除了受到重力和支持力之外，还受到静摩擦力的作用。通过分析毛刷弯曲的方向，从而得到物体在随圆盘做圆周运动时所受到的静摩擦力方向，引导学生分析物体在做圆周运动：静摩擦力时刻地指向转动平面的圆心。

实验结论：物体随着圆盘做匀速圆周运动时，物体受到的静摩擦力，提供物体做圆周运动的向心力。

通过演示实验，把不易被观察到的静摩擦力方向转变为一种可以观察到、可分析到的现象，有效地减少了学生在课堂上的学习困难，很好地突破了教学的重点和难点。

2  定性探究：影响向心力大小的因素

实验器材：两个乒乓球（一个装沙子，一个未装），两根棉线，两个笔套，两个装了部分水的矿泉水瓶，如图2所示。

学生演示：手握笔套，快速将乒乓球旋转，让乒乓球在水平面内做圆周运动。

实验现象：装沙子的乒乓球做圆周运动后，矿泉水瓶被提起来了。在转速相同的提前下，没装沙子的乒乓球做圆周运动并没有将矿泉水瓶提起。

设计意图：利用低成本的原材料即可自制实验器材，使学生们切身感受到现实生活中处处有物理。通过乒乓球提矿泉水瓶，让学生体验、感受向心力的大小。

学生演示：教师引导学生演示3个实验;加快转速;增加绳长（转动半径）;增大乒乓球质量（装沙子），让学生观察乒乓球提矿泉水瓶的效果，从而让学生猜想影响拉力大小的因素。

学生猜想：学生讨论交流，提出自己见解;乒乓球提矿泉水瓶的拉力大小跟球的质量、转动的半径、转速（角速度）有关。

提出问题：如果我们能够准确地测出质量、半径、角速度等数值，再深入地研究它们之间的相互关系，一定更可靠，进而引出本节课学习目标，形成定量的研究思路，制定一个探究的方案，要运用"控制变量法"来研究向心力跟物体的质量、转动半径、角速度之间的相互关系。

3  定量探究：向心力大小

3.1  朗威数字化信息系统

实验器材：计算机、向心力实验仪、传感器、调速器等，如图3所示。

测量设备介绍：槽码做圆周运动时的半径，在螺旋臂上能直接读出;力传感器直接测得槽码做圆周运动的向心力;电机控制器能改变槽码做圆周运动的角速度（如图4）。

实验装置特点：朗威数字化信息系统，通过传感器快速对数据进行采集，利用DISLab向心力软件，计算机智能化进行数据处理，实验效果好，有效提高课堂效率[ 1 ]。

3.2  实验探究

探究一：向心力与角速度的关系

打开朗威DISLab向心力研究Ⅱ软件，点击"研究向心力与角速度的关系";在操作界面上输入实验相关参数：挡光柱宽度Δs、挡光柱到圆心的距离d、槽码的质量m=0.02 kg槽码的转动半径r=0.10 m（如图5）。

3.3  数据采集

调节角速度控制器（如图4），将角速度调为6.07 rad/s，待悬臂转动稳定后，点击"记录数据"，计算机屏幕显示向心力大小随时间变化的图线，接着点击"停止记录"→"选取F值"，将鼠标移至图线较稳定的区域，从而选取F值，完成第一组数据的选取。再依次将角速度控制器调制为10.10 rad/s、14.12 rad/s、18.14 rad/s、20.13 rad/s、22.16 rad/s，按之前的步骤依次操作，待六组数据全部选取，得到图线（如图6）。

采集数据是学生必须掌握的一项重要技巧，也是今后继续从事科学研究和实践的一项重要基本功，通过对数据采集的过程，培养了学生对于实验数据真实性的认识与严谨科学态度。

3.4  数据处理与分析

3.4.1  人工绘图画图像

选用合适的坐标轴比例，用图6采集到的实验数据，在坐标纸上用“X”符号进行描点，画F-ω关系的图像，为了能够使图线真实地反映两个测量值之间的关系，要根据测量点与图线的大体形状合理地选取;因实验存在误差，要仔细分析后决定取舍，画出图像（如图7），可能是双曲线、抛物线、圆弧一部分等。

教师引导学生用“化曲为直”的方法，将非线性图像转化为线性图像[ 2 ]。同样，利用图6中的数据描点，画F-ω2关系的图像（如图8），使尽量多的点落在直线上，不在直线上的点大致均匀地分布在两侧，偏离直线太远的点，数据“异常”，误差较大。学生分析画出的图像，会得出：F与ω2成线性关系。

人工绘制图像，能培养学生的记录、处理、分析数据等实验技能，能培养学生细致、耐心、求实的实验素养;通过图像处理数据过程，能提升学生实验探究素养。但人工绘图占用大量时间，受课堂时间的限制，且误差较大，目前教师较少使用。

3.4.2  利用朗威DISLab软件画图

利用朗威DISLab软件画图。点击窗口“F-ω”，得到图像（如图9），再点击“F-ω2”，得到F-ω2图像（如图10）。

利用朗威DISLab软件画图，设置相关物理量，实时采集实验数据，数据以表格的形式及时显示，软件能实时进行数据处理，结果以图像形式显示;探究者不需要读数据、记录数据，不要人工绘图，只需点击鼠标，操作简单，短时间内能完成实验，可以集中精力进行实验探究，有效提高实验效率。

实验结论：槽码的质量、转动半径不变，向心力F与角速度ω2成正比。

探究二：向心力与转动半径的关系

打开朗威DISLab软件，输入实验相关参数：槽码的质量0.02 kg，调节角速度为20.14 rad/s;把半径调至0.04 m处。点击“记录数据”，按之前的步骤依次操作选取F值，测出第一组数据。将半径依次调至0.06 m、0.08 m、0.10 m、0.11 m、0.12 m處，测出六组力F的数据，点击窗口“F-r”，得到F-r图像（如图11）。

实验结论：槽码的质量和转动角速度保持不变，向心力F与转动槽码的半径r成正比。

探究三：向心力与质量的关系

在朗威DISLab操作界面上输入实验相关参数：将质量为10 g的槽码放置在半径为0.01 m的位置，调节角速度为10.12 rad/s。

点击"记录数据"，按之前的步骤依次操作选取F值，测出第一组数据F=0.10 N;将槽码质量调至为20 g、30 g、40 g、50 g、60 g处，测出六组力F数据，点击窗口“F-m”，得到F-m图像（如图12）。

实验结论：槽码的转动半径、角速度都保持不变，向心力F与槽码的质量m成正比。

把朗威数字化信息系统引入课堂，实验操作简便、快捷，实现对数据的精准快速测量及处理，实验结果以图像的形式展示，学生可以直观地判断各个物理量之间定性的关系。得出结论：物体做圆周运动，所需要的向心力F与物体的质量m 、转动半径r 、转动的角速度ω2成正比。同时让学生们在课堂上体会到了探究的快乐，调动和激发学生的学习兴趣，提高了学生的学科素养。

在物理实验教学中，教师要融合信息技术，不断改进实验，通过创新性的实验，让实验现象更直观，不断提高教学质量，不断促进学生物理素养的发展，不断促进教师的专业成长。

参考文献：

[1] 余雪妹.高中物理DIS实验与传统实验整合初探[J].物理教学探讨，2011（9）：29-32.

[2] 施生晶. 提升“科学探究”素养的教学实践[J].中小学实验与装备，2021（2）：15-18.

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