用圓錐擺驗(yàn)證向心力的表達(dá)式

朱玉蘭 令閏強(qiáng)

摘 ? 要：文章分析了高中物理課堂“實(shí)驗(yàn)”欄目的教學(xué)現(xiàn)狀，研究了基于核心素養(yǎng)下 “實(shí)驗(yàn)”欄目的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程。以“用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式”為例，提出了基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的問(wèn)題，并給予教學(xué)建議，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，最后分析了實(shí)驗(yàn)誤差。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);“實(shí)驗(yàn)”欄目;向心力

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）5-0054-2

高中物理課堂“實(shí)驗(yàn)”欄目的教學(xué)實(shí)踐是根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，結(jié)合物理核心素養(yǎng)的目標(biāo)提出問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)題引領(lǐng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

本文以“用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式”為例，探究課堂實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐過(guò)程。

1 ? ?提出問(wèn)題和核心素養(yǎng)目標(biāo)

根據(jù)下面提供的思考問(wèn)題，分小組進(jìn)行討論和交流，闡述自己的觀點(diǎn)，建構(gòu)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案。

思考問(wèn)題1 “用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式”的實(shí)驗(yàn)中如何選擇恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)器材？

核心素養(yǎng)目標(biāo)是注意培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

思考問(wèn)題2 做圓錐擺的鋼球受幾個(gè)力的作用？合力的大小和方向有什么特點(diǎn)？什么力提供向心力？鋼球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所需向心力的大小由哪些因素決定？實(shí)驗(yàn)原理是什么？

核心素養(yǎng)目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)思維。

思考問(wèn)題3 ?實(shí)驗(yàn)需要測(cè)量哪些物理量？實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中需要注意哪些事項(xiàng)？

核心素養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

思考問(wèn)題4 造成實(shí)驗(yàn)誤差的因素有哪些？如何減小實(shí)驗(yàn)誤差？

核心素養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維方法。

2 ? ?教學(xué)建議

（1）思維引導(dǎo)建議

根據(jù)圖1，引導(dǎo)學(xué)生受力分析，知道“用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式”實(shí)驗(yàn)中，向心力是由小球受到的重力和拉力的合力提供，還可認(rèn)為是拉力的一個(gè)分力。在受力分析的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)原理，建構(gòu)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，引導(dǎo)學(xué)生積極思考誤差的來(lái)源，這與知識(shí)的思維建構(gòu)相吻合。

（2）實(shí)驗(yàn)操作建議

由于圓錐擺實(shí)驗(yàn)是課堂中的實(shí)驗(yàn)，建議兩人一組。實(shí)驗(yàn)前先在白紙上畫上不同半徑的同心圓;實(shí)驗(yàn)安裝完成后，為了用手帶動(dòng)鋼球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的效果更好，建議用手捏住細(xì)線靠近懸點(diǎn)的位置使細(xì)線轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)鋼球比較穩(wěn)定地做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)松開(kāi)手，開(kāi)始計(jì)時(shí)。為減小誤差，鋼球做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑不能太大，半徑一般是在6 cm到8 cm之間，因?yàn)閿[線的長(zhǎng)度在45 cm到65 cm之間，本質(zhì)是α不能太大（如圖1）;需測(cè)量多圈的時(shí)間，但運(yùn)動(dòng)時(shí)間不能太長(zhǎng)，一般測(cè)4到6圈的時(shí)間;h不是紙面到懸點(diǎn)的距離，而是紙面到懸點(diǎn)的距離h1減鋼球做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)球心到紙面的豎直距離h2，即h=h1-h2。

（3）教學(xué)活動(dòng)建議

對(duì)思考問(wèn)題1和思考問(wèn)題2，可讓學(xué)生獨(dú)立思考后回答，教師適當(dāng)補(bǔ)充完善，引導(dǎo)學(xué)生畫出受力示意圖;思考問(wèn)題3和思考問(wèn)題4，基礎(chǔ)好的學(xué)生可獨(dú)立思考后回答，基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生在教師引導(dǎo)后回答，然后教師點(diǎn)評(píng)。需注意的是教師在點(diǎn)評(píng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可把某一組學(xué)生做的實(shí)驗(yàn)過(guò)程通過(guò)信息技術(shù)進(jìn)行放大和放慢。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程

選取其中一組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程如下：

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

驗(yàn)證物體所受的合力是否等于物體所需的向心力。

（2）實(shí)驗(yàn)原理

構(gòu)造一個(gè)圓錐擺如圖1所示。一方面，由小球所受的重力與繩拉力的合力計(jì)算提供的向心力F =mgtanα;另一方面，由小球運(yùn)動(dòng)的角速度及旋轉(zhuǎn)半徑計(jì)算需要的向心力F =ma =mω2r=mr（ ）2;驗(yàn)證物體所受的合力是否等于向心力。

（3）實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程

實(shí)驗(yàn)安裝前用托盤天平測(cè)量鋼球的質(zhì)量。安裝好實(shí)驗(yàn)裝置（如圖2所示），測(cè)量紙面到懸點(diǎn)的距離h1。圓錐擺擺動(dòng)時(shí)開(kāi)始記錄時(shí)間和圈數(shù)。當(dāng)鋼球比較穩(wěn)定地做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨即手與鋼球分離，同時(shí)用秒表記錄鋼球做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t和圈數(shù)n，再通過(guò)紙上標(biāo)有半徑的圓讀出鋼球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的半徑r，并估測(cè)鋼球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)球心到紙面的豎直距離h2。

4 ? ?記錄數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析

建立表格并把記錄的數(shù)據(jù)填在表格中，表格中數(shù)據(jù)的單位都是國(guó)際基本單位或?qū)С鰡挝唬⒂肊xcel軟件計(jì)算向心力和合力，其中一組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表1。

對(duì) “用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式”實(shí)驗(yàn)，計(jì)算的向心力和合力幾乎近似相等（如表1）。向心力的表達(dá)式得到了驗(yàn)證，即實(shí)驗(yàn)結(jié)論為鋼球受到的合力提供了鋼球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力。學(xué)生通過(guò)“用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式”的實(shí)驗(yàn)，深刻體會(huì)向心力并不是物體額外受到的一個(gè)力，而是按效果命名的力，是由其他性質(zhì)的力提供的。實(shí)驗(yàn)的結(jié)論達(dá)到了預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

5 ? ?誤差分析

學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行分析是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要途徑之一?！坝脠A錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式”的誤差主要有：一是 h=h1-h2的測(cè)量，誤差來(lái)源是估測(cè)球心距紙面的高度h2;二是手與鋼球分離后，鋼球很難做勻速圓周運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差;三是測(cè)量半徑和時(shí)間產(chǎn)生的誤差，由于鋼球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)受空氣阻力，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑在逐漸減小，而且半徑的測(cè)量是通過(guò)白紙上的同心圓估測(cè)的;四是測(cè)量鋼球轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)時(shí)產(chǎn)生的誤差。

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（欄目編輯 ? ?王柏廬）