《刚体转动惯量的测量》实验的教学设计

仲丽丽 孙艳 张健

摘要：在大学物理实验授课过程中，需树立实践技能培养，推动知识的吸收消化等理念。本文对《刚体转动惯量的测量》实验，采用“导学式翻转法”，小组合作学习等教学模式，初步进行了教学实践探讨。

关键词：刚体转动惯量;导学式翻转法;小组合作学习

一、 实验性质和作用

转动惯量是表示刚体转动惯性的量度，对于质量分布均匀、几何形状规则的刚体，转动惯量可以通过数学理论计算得到，然而在实际工程中，类似于微型飞行器等的许多回转体由于其布局各异，外形很不规则，内部质量分布也不均匀，很难根据它的外形准确计算转动惯量特性，这就需要对转动惯量进行实际测量【1】。

《刚体的转动惯量的测量》实验属于大学物理实验中，力学基础性实验，原理和仪器构造相对简单。对于刚接触实验的学生，可通过该实验的学习过程，了解建立实验测量模型建立的基本步骤、基础的实验分析测量方法，建立起良好的按实验规则操作仪器的习惯，初步尝试规划实验步骤、验证理论，培养利用理论指导实践的意识。为下一步能够完成更复杂、自主性强的实验打下良好的基础。

二、 具体教学设计

本人通过《刚体转动惯量的测量》这一基础性实验的教学实践，采用“导学式翻转法” 、小组合作学习等教学模式，通过给学生设置问题，引导学生课前学习;课堂上通过提问、学生表述、小组合作学习、师生讨论交流等多种灵活方式检验学生课前学习效果，以达到培养提高学生自主学习能力的目的。另外针对《刚体转动惯量的测量》这一基础性实验性质，教学指导过程突出“严”，学生在学习过程中更要对自己严格要求，严谨认真。

1.课前环节

学生自主完成：实验理论知识的准备，熟悉实验仪器设备，拟定实验步骤。以教材为依据，以网络课件为辅助，完成以下任务：

（1）通过查找资料了解转动惯量的工程应用及其获得方法;

（2）分析本实验依据的实验原理;

（3）了解转动惯量仪的结构，熟悉存储测试仪的使用方法;

（4）了解转动惯量的实验测量方法;

（5）根据实验任务拟定实验步骤，并随时记录学习中遇到的问题。

教师课前辅助工作：制作有声课件、操作视频、仪器介绍视频并上传本校网站供学生自主学习参考，具体内容：

（1）布置实验预习任务;

（2）有声课件;

（3）授课视频;

（4）实验仪器的结构及使用方法介绍;

（5）实验报告模板;

（6）数据记录及处理要求;

（7）仪器使用说明书。

2.课堂环节

（1）预习情况检验

课上通过互动提问、学生表述、小组合作学习等检验学生预习任务完成情况，在此基础上指导实验操作，完成本次实验课程教学。以下是具体问题：

①转动惯量的应用举例？

②获取转动惯量的常用方法？

③恒力矩转动法、扭摆法的实验原理？

在实验原理教学中，为了进一步加强学生了解测量条件及理论指导实验，通过小组合作学习记录，证明掌握模型建立过程，内容设置： 恒力矩法、扭摆法实验测量模型。

具体任务：

用绘制流程、推导过程图的方式，分别阐释恒力矩法和扭摆法实验测量模型建立过程，说明实验需要测量哪些量及测量条件。

具体过程：

教师提示（3分钟）：教师以扭摆法为例给出以下具体提示，

分析扭摆法的理论依据（理论测量模型），明确扭转常数概念;建立测量方程;分析转动惯量、扭摆周期与弹簧扭转常数的关系，得出转动惯量的计算式。

个人自学（5分钟）：尝试绘制流程/推导过程图。

小组讨论（10分钟）：组内分享个人绘制图、综合成员意见在记录单上绘制绘制流程/推导过程图、总结两种方法的联系与区别，成果：每组提交合作学习记录单，随机抽选2人回答问题。

④验证平行轴定理及其验证方法？

（2）实验操作

①学生熟悉实验仪器装置并讨论拟定实验步骤。

②教师提示注意事项

利用恒力矩转动法完成实验时，利用水平仪，调节承物台水平;绕线塔轮槽和滑轮槽等高且方位垂直;保证砝码片着地时，细线完全脱离塔轮;保证绕线紧密并且不重叠;旋紧遮光棒，防止触碰光电门。

利用扭摆法完成实验时，每次弹簧摆角在90度左右，这样扭转常数才基本相同。

（3）课堂总结

①教师结合实验留下分析思考题

分析本实验产生误差的主要原因是什么？如何减少这些因素的影响;利用本测量仪的设计思路，设计并研制转轴摩擦力矩测量仪、刚体质量偏心测定仪;研究其他常用的转动惯量测量方法，例如三线摆法，并说明三线摆法的测量原理和测量方法。

②总结课堂实验完成情况

3.课后环节

教师通过对课前、课堂、课后所有环节进行系统总结，发现创新点。可利用下次课前或通过网络等方式将实验报告中出现的问题、教学总结的情况等信息反馈给学生，以便整改提高。

三、 教学效果

经过一段时间的教学实践，《刚体转动惯量的测量》授课，收到了良好的教學效果。学生普遍反映学习效果好，主要有以下反馈：

1.在教学内容上，目的明确、原理清晰，设计科学规范，内容符合课程特点和教学对象要求。深、广度符合教学目标要求。对本学科专业前沿知识有所体现，实践特色突出。

2.在教学实施上，充分体现素质教育和创新教育思想，教为主导学为主体意识强。安排合理、指导得力、组织有序、操作规范熟练。

3.学生注意力集中，学习热情高，课堂气氛活跃。有利于学生科学精神、自主学习能力、实践技能的培养，教学效果较好。

参考文献：

[1] 刘志壮.刚体转动惯量测量的研究 [J]. 零陵学院学报.2002（6）.

第一作者简介：仲丽丽（1981-），女，空军航空大学基础部实验中心实验师，硕士，主要从事大学物理实验教学，目前主要研究方向为量子光学。