創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)：多功能測(cè)量?jī)x

劉英惠

摘 要： 在向心力驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生操作這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)普遍存在以下問題：1.用手動(dòng)使小球做圓錐擺運(yùn)動(dòng)，由于空氣阻力等多種因素的影響，圓錐擺的運(yùn)動(dòng)非常不穩(wěn)定且由于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)手法常常使小球的運(yùn)動(dòng)偏離圓周，使探究實(shí)驗(yàn)失去基本的科學(xué)性。2.運(yùn)動(dòng)周期的測(cè)量為觀測(cè)n圈用秒表計(jì)時(shí)，耗時(shí)長(zhǎng)誤差大。3.在觀察運(yùn)動(dòng)半徑時(shí)由于擺動(dòng)不穩(wěn)定且觀察時(shí)間較長(zhǎng)經(jīng)常在觀察的時(shí)間內(nèi)，小球的運(yùn)動(dòng)就發(fā)生了變軌現(xiàn)象造成觀測(cè)不準(zhǔn)。4.測(cè)量高度時(shí)要測(cè)量懸點(diǎn)距離小球旋轉(zhuǎn)平面的高度，由于小球的運(yùn)動(dòng)平面距離紙面還有一定的高度就造成了測(cè)量的困難。

關(guān)鍵詞： 觀察與發(fā)現(xiàn) 創(chuàng)新與收獲 多功能測(cè)量?jī)x

人教版教材必修2在“向心力“這一節(jié)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證向心力的表達(dá)式，該實(shí)驗(yàn)曾為吉林省通化市的會(huì)考實(shí)驗(yàn)，此實(shí)驗(yàn)?zāi)芘囵B(yǎng)學(xué)生多方面的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和動(dòng)手操作能力。但我在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)學(xué)生獨(dú)立完成這一實(shí)驗(yàn)遇到的困難較多，不能深刻體會(huì)實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，并且發(fā)現(xiàn)會(huì)考中有部分同學(xué)不能順利完成實(shí)驗(yàn)，由此引發(fā)了我對(duì)這一實(shí)驗(yàn)的思考。

一、（原）器材與方法

書上設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)所需儀器為一懸吊鋼球的鐵架臺(tái)，小球下方放置畫有同心圓的白紙，以及秒表，刻度尺。所用實(shí)驗(yàn)方法：用手帶動(dòng)鋼球，設(shè)法使它沿著白紙上某個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)，然后通過秒表測(cè)量周期T，刻度尺測(cè)量小球繞著旋轉(zhuǎn)的那個(gè)圓周的半徑r，測(cè)量懸點(diǎn)距離圓心的高度h，再計(jì)算線速度v，使上述物理量滿足m=mgtanθ=mg，從而驗(yàn)證向心力的表達(dá)式。

二、觀察與發(fā)現(xiàn)

教學(xué)過程中通過觀察發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行操作時(shí)普遍存在以下問題：

1.用手動(dòng)使小球做圓錐擺運(yùn)動(dòng)，由于空氣阻力等多種因素的影響，圓錐擺的運(yùn)動(dòng)非常不穩(wěn)定且由于學(xué)生的實(shí)驗(yàn)手法常常使小球的運(yùn)動(dòng)偏離圓周，使探究實(shí)驗(yàn)失去基本的科學(xué)性。

2.運(yùn)動(dòng)周期的測(cè)量為觀測(cè)n圈用秒表計(jì)時(shí)，耗時(shí)長(zhǎng)誤差大。

3.在觀察運(yùn)動(dòng)半徑時(shí)由于擺動(dòng)不穩(wěn)定且觀察時(shí)間較長(zhǎng)經(jīng)常在觀察的時(shí)間內(nèi)，小球的運(yùn)動(dòng)就發(fā)生了變軌現(xiàn)象造成觀測(cè)不準(zhǔn)。

4.測(cè)量高度時(shí)要測(cè)量懸點(diǎn)距離小球旋轉(zhuǎn)平面的高度，由于小球的運(yùn)動(dòng)平面距離紙面還有一定的高度就造成了測(cè)量的困難。

三、創(chuàng)新與收獲

我針對(duì)教學(xué)中的觀察和感悟，對(duì)這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新與改造，組裝了一個(gè)儀器。我給它命名為“多功能測(cè)量?jī)x”。本實(shí)驗(yàn)儀以兩個(gè)鐵架臺(tái)為框架在中間橫梁上固定一小型電機(jī)，一側(cè)鐵架上安有激光筆，另一側(cè)有刻度標(biāo)尺，與激光筆配套使用，用以測(cè)量h，在擺球正下方配備光電門與帶刻度的平面鏡，用以測(cè)量周期與半徑。

1.創(chuàng)新

（1）用小型電機(jī)帶動(dòng)圓錐擺，在實(shí)驗(yàn)過程中只需用手輕輕帶動(dòng)小球，給它一個(gè)動(dòng)力，小球在一定時(shí)間內(nèi)能做穩(wěn)定的圓周運(yùn)動(dòng)，克服手動(dòng)的不穩(wěn)定性且易出錯(cuò)的弊端。

（2）采用先進(jìn)電子計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)，使周期測(cè)量更方便、準(zhǔn)確。克服圓周運(yùn)動(dòng)不易觀察與測(cè)時(shí)誤差較大的弊端。

（3）為了使高度的測(cè)量更準(zhǔn)確便捷。利用激光筆輕易即能確定旋轉(zhuǎn)平面的高度，在對(duì)面的刻度尺上打出激光點(diǎn)，標(biāo)明懸點(diǎn)距離圓心的高度。

（4）采用帶有刻度的平面鏡放于小球下方，確定圓錐擺旋轉(zhuǎn)的圓心，即可通過擺球在平面鏡中的影像直接讀取圓周的半徑使測(cè)量變得方便又快捷。

2.收獲

隨著實(shí)驗(yàn)的深入不斷突破創(chuàng)新中遇到的困境研發(fā)了該多功能測(cè)量?jī)x，在演示過程中不斷思考迸發(fā)出靈感的火花逐漸發(fā)現(xiàn)應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)儀可以完成新教材以下實(shí)驗(yàn)且適用環(huán)境廣泛，并且發(fā)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室中的光電門不僅在幾厘米范圍內(nèi)起作用，在距離拉長(zhǎng)至20多厘米時(shí)仍然能很好地測(cè)量時(shí)間、速度等物理量，是一種新的嘗試和突破。

能完成的實(shí)驗(yàn)：①驗(yàn)證向心力表達(dá)式。

②利用單擺驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。（激光筆打出高度差h，多功能計(jì)時(shí)器測(cè)量最低點(diǎn)速度，滿足mgh=mv）

③測(cè)量重力加速度。（計(jì)時(shí)器測(cè)周期，激光筆測(cè)擺線長(zhǎng)滿足g=）

④模擬簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的圖像。（小球換成沙漏，或裝有紅墨水的小球，底座換成可以抽動(dòng)的木板）

⑤探究影響擺周期的因素。

⑥適用的教學(xué)環(huán)境：課堂演示，高三復(fù)習(xí)（與擺有關(guān)的實(shí)驗(yàn)），學(xué)生操作。此實(shí)驗(yàn)儀因設(shè)計(jì)新穎巧妙、思想獨(dú)特、因陋就簡(jiǎn)、就地取材，等多種優(yōu)點(diǎn)曾獲得省、市級(jí)一等獎(jiǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]總主編：張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書必修2。北京：人民教育出版社出版，2010.

[2]總主編：杜敏.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書必修2教師教學(xué)用書.北京：人民教育出版社出版，2010.