新技术支撑下高效物理实验装置的设计与改进

在教育数字化的浪潮中，我国教育领域正经历着前所未有的变革。《普通高中课程方案（2017年版2020年修订）》及《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）均强调了信息技术在教学中的应用，旨在培养学生的科学思维和探究能力^[1][2]。情境认知理论进一步指出，真实世界的情境是学习者获取知识的基础，任何脱离具体情境的知识都是缺乏实际意义的^[3]。然而，传统物理实验装置如“圆锥摆验证向心力公式”存在局限性，难以满足课标对实验教学的要求，亟须改进以适应当前教学的需求。笔者针对传统的向心力实验装置存在的不足，提出了一种结合自动化、先进传感器技术和数据处理的改进方案。基于创新设计，制作了一种能够灵活调节转动物体质量、半径和角速度的新型高效物理实验装置，用以开展对向心力公式的定量探究。在真实情境下开展探究性实验，探讨了新技术在物理实验装置设计与改进中的应用，以深化学生对物理概念的理解，并促进其核心素养的发展。

一、传统装置存在的不足

传统“圆锥摆验证向心力表达式”实验（如图1）尽管在设计、理论、方法及学生参与度上表现出色，但在实际操作中存在若干挑战：一是小球难以精确沿预定圆周运动，往往呈现椭圆轨迹；二是小球与纸面之间的距离存在不确定性，导致半径测量不精确；三是小球距悬点高度的确定存在较大误差。尽管实验名称中带有“粗略”二字，但上述因素导致实验结果的准确性受限，难以有效验证向心力的表达式。

传统手摇式向心力演示装置（如图2）在实验操作方面存在不足：（1）依赖手动摇动产生转速，导致转速稳定性不足，无法进行精确测量，仅能通过视觉估计，造成显著误差；（2）向心力的大小仅能进行粗略估算，无法实现精确测量，因此实验结果仅限于半定量的探究水平。

综观以往的教具改进案例，戎杰等借助传感器等实验工具，通过在竖直面内进行圆周运动来验证“向心力”公式^[4]。冯奇等改进向心力演示仪也仅是演示或进行半定量的向心力测量^[5]。刁品全等应用DIS实验系统来验证向心力与角速度、半径和质量的关系^[6]。尽管如此，这些教学工具并未能提供对旋转半径、物体质量及旋转角速度的灵活调节功能，且均依赖于昂贵、难以获取且安装复杂的器材。此类物理实验往往忽略了与学生日常生活经验的联系和实际问题的探讨，过分强调“学术化”和“理想化”的实验环境，极易导致学生感到实验枯燥乏味，甚至对实验教学产生抵触情绪。此外，现实中此类教具用于为学生“演示操作”，而学生“复刻”此类教具以拓展科学思维的机会也相对有限。为弥补以上不足，笔者展开关于教具改进的研究。

二、实验用具与实验原理

改进实验所需用具包括：可调压式电源，一根轻质细绳（长30cm左右且刚性系数较大），一盒钩码，大变速盘，长传送带，生活中常用电子计价秤（自带记忆功能），生活中常用数显激光测速仪，减速马达，UPVC管，手摇式向心力实验仪机座。

经改进后的自制学具原理图如图3所示。

自制“向心力影响因素探究仪”的工作原理如下。

笔者对手摇式向心力实验装置进行解构与重组，确保机器底座、大变速轮盘以及长型传送带得以保留。将长横臂挡板改进为光滑管槽（内部光滑的UPVC管从圆截面切割分开，取一半作为光滑管槽），使其与电子计价秤底部粘接（留出秤钩位置）呈一条直线并保持水平状态，随后对准大变速盘上方位置进行稳固粘接。

在微型风扇取出减速马达的轴端安装一个小型皮带轮，并将演示装置的长传送带环绕于大变速盘底轴与减速马达皮带轮之间，随后紧固传送带并确保减速马达稳固地粘接于原实验仪的机座上。调节可调电压式电源旋钮来控制输入电路电压，即可改变减速马达的转速，同时带动光滑管槽转动并被激光测速仪捕捉到实时转速，利用公式计算角速度。

将原装置所用钢球改为钩码，用轻质结实细线系于电子秤秤钩上，确定转动物体的质量。保证钩码作匀速圆周运动限制在光滑管槽内，防止转动过程中飞出伤人。以大变速盘的中心作为起始点，将刻度纸条粘贴于光滑的管槽内侧。选取钩码系于挂钩后，即可直接测量并读取匀速圆周运动的半径。

将电子计价秤的单价设置为9.8元/kg。其意图是与牛顿所提出重力公式中的重力加速度（云南昆明地区重力加速度约取9.8N/kg）相对应，并结合重力公式和牛顿第三定律进行代换。由此，当钩码处于稳定匀速圆周运动状态时，电子计价秤的示数即为向心力。这些改良措施将传统的手摇式向心力实验仪改进为一套具备转动速度、转动物体质量、转动半径同时控制功能的匀速圆周运动向心力测量装置。

三、实验程序

（一）实验流程及注意事项

笔者采用“控制变量法”实验，经改进后的自制学具实物图如图4所示。

第一步，实验正式开始之前，调试装置。接通电源，增大和减小电压，观察自制学具转动状态是否异常。无异常情况，将可调压式电源旋钮调至最小值，正式实验。

第二步，选取钩码系于细绳并放置在光滑管槽内，调节钩码位置使细绳恰好处于水平状态，打开电子计价秤并调至单价为9.8元/kg，开启激光测速仪将其设置为测速模式，轻微调整调压旋钮以设定适宜的输入电压。在通电状态下，钩码作匀速圆周运动。选取钩码质量已知，依靠减速马达测出转动速度，从刻度纸条上读出转动半径。依次改变钩码质量、转动半径、减速马达转速，结合控制变量法进行多组实验。

第三步，为减小误差，按照第二步中的流程，共做12组实验。将直接测得的向心力与用表达式计算得出的理论向心力数据汇总。根据相对误差公式计算出误差（百分比）后汇总到表格中，目的在于直观反映测量结果偏离理论值的数据。

实验数据汇总情况见表1。

（二）实验结果分析

观察表1中记录的12组实验数据可以看出，实验测得的向心力值与理论预期值之间存在较高的吻合度，实验误差普遍在2%以内，显示出实验结果的优良性。证明本实验探究仪可以实现对转动半径、物体质量、转动角速度的灵活控制及向心力的准确测量。

为有效落实课标中的“科学探究”学科核心素养，遂选取表1中所记录的12组数据。利用绘图软件Origin的图像拟合功能，利用集成先进的数字化软件和卓越的数据采集与处理技术，依次探究不同角速度、运动半径以及小车质量对向心力的影响趋势及其相互关系（如图5至图7）。笔者有目的地进行学习材料的编排和展示，体现了物理学科的特点。

观察图5至图7，可以明显看出测得向心力与角速度的平方、运动半径以及钩码质量均成正比关系。此外，三幅曲线的拟合相关系数均在0.999以上，斜率与相关参数乘积基本一致且截距均接近0，尽管存在一定的偏差，但依然有效地证实了向心力公式。究其原因在于摩擦力对向心力有贡献，这进一步阐释了“向心力并非固有属性力，而是由指向圆心的合力所提供的效果力”。由此，使用该探究仪可以在教学中有效地验证教材中的向心力公式。

鉴于钩码在UPVC管槽中运动时受到摩擦力影响，导致实验数据出现偏差，建议采用轻质且表面光滑的亚克力管槽替代原有的UPVC管槽。亚克力材质的轻盈特性有助于减少因自重引起的额外力，使得钩码在作匀速圆周运动时更易保持水平方向，从而显著降低实验误差。按此替换材质，可以提升实验数据的精确度和可靠性。

在高中物理教学中，向心力公式的推导具有一定难度，因其推导过程对学生而言显得过于抽象，难以掌握^[7]。利用新技术改进后的自制向心力影响因素探究仪以提供真实情境、即时反馈、激发创新和连接理论与实践等多种方式，使学生经历了从“比较—概括—抽象”的认知过程，“从情境中来”“到情境中去”的情境认知理论也为核心素养的培育提供了路径^[8]。在课标实施过程中，教师理应遵循因生、因学制宜等教学原则，创设真实情境，引导学生主动参与教学互动，引导学生敢说、敢做、敢出错^[9]，深化其对概念本质的理解，推动其知识的深化吸收与实际应用，确保学生核心素养全面提升。

注：本文系湖南省教育科学“十四五”规划课题资助项目“新课程改革背景下中学物理力学大概念有效教学的实践研究”（课题批准号：XJK23BJC042）阶段性成果。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中课程方案：2017年版2020年修订[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准：2017年版2020年修订[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3][美]DavidH.Jonassen，等.学习环境的理论基础[M].郑太年，任友群，译.上海：华东师范大学出版社，2002.

[4]戎杰，郭拯，胡科杰.自制验证“向心力”公式和“机械能守恒定律”教具[J].物理教师，2019（8）：57-59.

[5]冯奇.“用圆锥摆粗略验证向心力的表达式”实验的改进与探究[J].物理教学，2018（12）：27-28.

[6]刁品全.DIS辅助教学下的“向心加速度”教学再思考[J].物理教学，2017（6）：27-29.

[7]黄军，代伟，罗微，等.用传感器探究影响向心力大小因素的实验装置研究[J].大学物理实验，2015（2）：31-34.

[8]张良，靳玉乐.核心素养的发展需要怎样的教学认识论？：基于情境认知理论的勾画[J].教育研究与实验，2019（5）：32-37.

[9]李轩，彭朝阳，李立琛.科学预设促进生成：以“闭合电路的欧姆定律”教学为例[J].物理教学探讨，2023（8）：73-76.

（作者李轩系云南师范大学物理与电子信息学院硕士研究生；邱士庆系云南师范大学教育学部博士研究生；彭朝阳系云南师范大学物理与电子信息学院教授）

责任编辑：祝元志