向心力實驗組合儀的優(yōu)化與研制

江濤　吳春梅

摘 要：創(chuàng)新設(shè)計向心力實驗教具，創(chuàng)設(shè)向心力的物理情境，定性和定量探究向心力規(guī)律，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：向心力實驗組合儀;教具設(shè)計;演示實驗;探究實驗;核心素養(yǎng)

一、引言

2016年，“中國學(xué)生核心素養(yǎng)”總體框架發(fā)布并引領(lǐng)我國基礎(chǔ)教育的改革。2017年，教育部公布《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》并指出：物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“實驗探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任” [1]。通過培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)，讓學(xué)生具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，“創(chuàng)新”是物理核心素養(yǎng)的根本目的[2]?；趧?chuàng)新實驗的物理教學(xué)，是促進學(xué)生形成物理核心素養(yǎng)的一條有效途徑[3]。

粵教版高中物理必修2中“向心力”的教材編纂對向心力規(guī)律的探究只是定性的，缺乏實驗數(shù)據(jù)的支撐，學(xué)生只能被動接受。因此，通過創(chuàng)新實驗，教師引導(dǎo)學(xué)生通過實驗數(shù)據(jù)得出向心力公式，正確理解向心力的本質(zhì)特征，才能有助于培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

二、“向心力”創(chuàng)新實驗設(shè)計與自制教具

向心力探究儀?；浗贪娓咧形锢肀匦?關(guān)于“向心力”的教材內(nèi)容對向心力規(guī)律的安排缺乏探究發(fā)現(xiàn)的過程，如能通過實驗數(shù)據(jù)探究基于傳感技術(shù)的數(shù)字化信息實驗系統(tǒng)（DIS），由于便捷和直觀，在中學(xué)物理教學(xué)中（尤其是城市）已經(jīng)開始普及，并成為中學(xué)物理教學(xué)的主要實驗手段。向心力探究儀將引進傳感技術(shù)，由圓周運動系統(tǒng)和測量分析系統(tǒng)組成。

依據(jù)要求，向心力探究儀將垂直等臂杠桿固定于水平旋轉(zhuǎn)軌道中心軸，水平方向通過細鐵棒與小球連接，豎直方向與“8”字環(huán)、細鐵棒和傳感器連接。垂直等臂杠桿將水平方向的力轉(zhuǎn)化為豎直方向的力， “8”字環(huán)避免細鐵棒發(fā)生扭轉(zhuǎn)。水平旋轉(zhuǎn)軌道中心軸與步進電機的中心軸套在一個共軸連接器上。

三、向心力實驗組合儀的教學(xué)應(yīng)用與效果

（一）向心力演示器的教學(xué)應(yīng)用

向心力演示器用于向心力的新課引入中，展示并引導(dǎo)學(xué)生觀察向心力、推測向心力大小的影響因素。

1.向心力的實驗演示。搖動演示器的空心圓管使小球做圓周運動，增大轉(zhuǎn)動速度至水瓶被提起，設(shè)問是什么力拉起水瓶？對小球、繩子、水瓶組成的系統(tǒng)進行受力分析，建立向心力概念。

2.探究向心力大小的影響因素。增大小球轉(zhuǎn)動速度（或轉(zhuǎn)動半徑），水瓶上升，說明水瓶受到拉力增大（即向心力增加），即運動半徑和轉(zhuǎn)速的改變使得向心力大小發(fā)生了變化，由此猜想向心力的大小可能與物體的運動半徑以及轉(zhuǎn)速有關(guān)。改變轉(zhuǎn)動物體的質(zhì)量和形狀，可探究向心力大小跟物體的質(zhì)量和形狀的關(guān)系。

（二）向心力探究儀的教學(xué)應(yīng)用

向心力探究儀應(yīng)用于向心力的規(guī)律探究教學(xué)，實驗采用控制變量法，保持兩個量不變，改變其中一個量，測量向心力與變量的關(guān)系，實驗設(shè)計如表2所示：

進行不同的實驗，并依據(jù)實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果填寫上表。實驗過程如下所述：

1.不同半徑下的向心力。在教學(xué)中，應(yīng)用向心力探究儀，保持和，角速度不變，改變小球位置測量小球在不同半徑下的向心力大小， 記錄數(shù)據(jù)。

2.不同轉(zhuǎn)速下的向心力。保持質(zhì)量和半徑不變，通過步進電機顯示屏調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速，測量小球在不同轉(zhuǎn)速下的向心力大小，記錄數(shù)據(jù)。

3.不同質(zhì)量下的向心力。保持電機轉(zhuǎn)速和半徑不變，更換不同質(zhì)量的小球，改變小球質(zhì)量測量向心力大小，記錄數(shù)據(jù)。

綜合1-3的實驗結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：勻速圓周運動物體的向心力與質(zhì)量三者之間，做勻速圓周運動的物體，其向心力大小等于物體的質(zhì)量、運動半徑以及角速度的平方的乘積;做勻速圓周運動的物體，其向心力大小等于物體的質(zhì)量、線速度的平方以及半徑倒數(shù)的乘積，同時也等于與轉(zhuǎn)速的平方以及半徑的倒數(shù)的乘積。

（三）向心力實驗組合儀的教學(xué)效果

1.利用多感官體驗，充分展示物理現(xiàn)象形成物理觀念。利用向心力演示器創(chuàng)設(shè)物理情境，展示物理現(xiàn)象，從視覺上讓學(xué)生看到向心力的作用效果及影響因素;利用向心力筆作為課堂的學(xué)生實驗，讓學(xué)生從體感上感受到向心力及其影響因素。 兩個教具分別從視覺和感官上展示同一物理現(xiàn)象，一方面向心力演示器進行演示實驗有利于讓學(xué)生集中注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)好奇心;另一方面向心力的實驗探究有利于培養(yǎng)學(xué)生動手能力，激發(fā)學(xué)生探究欲，兩者并用能綜合兩者的教學(xué)優(yōu)勢。

2.利用3D打印技術(shù)，實現(xiàn)教具的精細加工和實驗穩(wěn)定性。制作水平旋轉(zhuǎn)軌道轉(zhuǎn)軸和步進電機轉(zhuǎn)軸之間的聯(lián)軸器，是制作向心力探究儀的關(guān)鍵技術(shù)之一。制作之初，我們采用傳統(tǒng)工藝加工木質(zhì)聯(lián)軸器，經(jīng)測試后發(fā)現(xiàn)很難實現(xiàn)水平旋轉(zhuǎn)軌道和步進電機共軸，測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，也不理想。后來請教我系大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實驗室的同學(xué)，借用他們的3D打印機，設(shè)計加工聯(lián)軸器，終于獲得穩(wěn)定的實驗效果和理想的實驗數(shù)據(jù)。

3.引進傳感技術(shù)和圖像分析工具，實現(xiàn)物理規(guī)律的定量探究。在探究向心力規(guī)律的實驗中，利用傳感技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集與存儲，利用計算機的計算功能和圖像分析工具，進行數(shù)據(jù)計算、描繪數(shù)據(jù)圖線、繪制和擬合圖線，將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，提供便捷之處。對于物理教學(xué)課堂而言，適當(dāng)弱化數(shù)學(xué)計算，強化物理實驗、物理圖像、物理規(guī)律的探究，對落實物理學(xué)科的核心素養(yǎng)是必要的。

四、結(jié)語

經(jīng)過向心力實驗裝置的研制，筆者深切體會自制教具過程的艱辛與不易，一方面制作教具需耗費大量的時間、精力，另一方面購買教具所需材料也構(gòu)成不小的經(jīng)濟壓力。但是，設(shè)計制作教具有利于展示物理現(xiàn)象、探究物理規(guī)律、培養(yǎng)物理思維、有利于物理課堂教學(xué)，制作學(xué)生核心素養(yǎng)的物理實驗教具，既是課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，更是時代的要求。所以“路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索”。

參考文獻

[1]谷春生.設(shè)計創(chuàng)新實驗培養(yǎng)核心素養(yǎng)[J].物理教學(xué)探討，2017，35（10）：62-63.

[2]馮容士，李鼎.DIS無線向心力實驗器[J].物理教學(xué)，2012，34（03）：23-27+38.

[3]黃丹青，吳玲敏，楊婉華，李德安.改進型向心力探究儀[J].物理通報，2016（11）：93-95.