《探究影响向心力大小的因素》教学设计

　　● 教材分析
　　本节内容是普通高中课程标准实验教科书教科版《物理》必修2第二章第二节《匀速圆周运动的向心力和向心加速度》，本节课是第二课时。本节内容安排在《圆周运动》、《分析匀速圆周运动的向心力来源》之后，是在学生系统学习了从运动学角度描述圆周运动的基础上，通过观察、猜想、实验探究、讨论交流的学习方式，体验了从动力学角度分析圆周运动的方法之后，利用已有的知识和方法探究影响向心力大小因素的一个范例。
　　本节是高中物理的关键内容，也是本章圆周运动的重点和难点，学好这部分知识，既让学生明白了牛顿运动定律同样适用于分析曲线运动，又为以后学习天体运动和带电粒子在匀强磁场中的运动打下了基础。
　　● 学生分析
　　思维特点：高一学生认知发展阶段的主要思维特点是在头脑中可以把事物的形式和内容分开，可以离开具体事物根据假设事件进行逻辑推演，能运用形式运算来解决诸如组合、排除及因素分析等逻辑课题。学生已经具有一定的发现问题、分析问题和解决问题的能力；能够与其他同学讨论，流利地表达自己的思想和批判他人的观点。
　　知识基础：学生在前面几节课的学习中知道匀速圆周运动是一种变速运动，结合直线运动和牛顿运动定律的知识，知道是向心力改变物体的这种运动状态，并能针对一些简单现象分析向心力的来源，但有些学生由于思维定势容易认为向心力是一种新的力，因而本节课继续引导学生正确理解向心力的来源和作用效果，并探究影响向心力大小的因素。
　　这一届的学生从上高中开始就已经接触了传感器，能够正确使用力的传感器和光电门；同时在信息技术课上学会了对数据进行分析、拟合的方法；又具备一定的数学知识，能够通过图像找出物理量间的函数关系，为自主探究提供了良好的条件。学生对探究活动的具体过程和应用图像探索规律的认识相对薄弱，因此，教师的指导是必要的。
　　● 教学目标
　　知识与能力目标：进一步理解向心力的概念，加深对向心力来源和作用效果的认识；知道向心力的大小与哪些因素有关，理解向心力的公式；初步学会利用传感器探究影响向心力大小因素之间的定量关系；能尝试运用向心力的公式解释一些生活中的问题。
　　过程与方法目标：经历向心力大小的科学探究过程，认识科学探究的意义。
　　情感、态度与价值观目标：发展对科学的好奇心和求知欲，乐于探究自然界的奥秘，能体验探索自然规律的艰辛与喜悦；培养勇于坚持真理、勇于创新和实事求是的科学态度和科学精神；培养团队精神。
　　● 教学重、难点
　　重点：进一步理解向心力的概念，加深对向心力来源和作用效果的认识。
　　难点：用控制变量法探究影响向心力大小的因素。
　　● 教学环境与技术准备
　　环境：多媒体教学网络、朗威DISLab数据采集器、DIS实验室软件、实物投影、交互式电子白板。
　　实验器材：J2130向心力演示仪、力传感器、光电门、朗威向心力实验器、天平等。
　　● 教学过程
　　1.创设问题情境，揭示课题
　　教师播放视频：F1方程式赛车拐弯时的不同场景。
　　师：你们能描述现象并加以解释吗？
　　生：赛车在静摩擦力作用下做水平面的圆周运动，随着速度的增大，向心力增大，当静摩擦力不足以提供所需的向心力时赛车脱离轨道。
　　师：请大家猜想向心力大小到底与哪些因素有关呢？
　　2.温故知新
　　教师介绍J2130向心力演示仪的构造，并让学生明白演示仪的原理。一名学生动手演示，教师引导，学生通过实物投影观看，分析找出影响向心力大小的因素。师生总结。
　　3.新课讲解
　　师：通过刚才的实验我们找出了影响向心力大小的因素，却不能找出它们之间的定量关系。随着科学技术的发展，传感器已经进入了我们的课堂（通过实物投影展示），本节课我们就利用力传感器和光电门来探究影响向心力大小的因素。
　　教师结合实物投影和图片介绍力传感器和光电门传感器（如图1）。
　　
　　学生分组讨论利用实验台上现有的仪器设计探究的实验方案（如图2）。教师巡视指导。
　　
　　学生代表利用实物投影展示实验装置（如图3）；利用电子白板分析实验原理，找出需要测量的物理量及所需的实验仪器，简单写出实验步骤。
　　
　　生：采用控制变量的方法——保证物体质量和半径不变的情况下，探究向心力和角速度的关系；保证质量和角速度不变的情况下，探究向心力和半径的关系；保证半径和角速度不变的情况下，探究向心力和质量的关系。
　　需要测量的是：物体做圆周运动的半径可以从光滑槽中的标尺读出来（红线即为砝码的质心位置），砝码的质量可以用天平测出，挡光杆的直径利用游标卡尺测出，力的大小、挡光时间由传感器显示。
　　教师给予适当评价并总结：①力传感器：垂直连杆的一端与力传感器相连，另一端挂在旋臂中心的等臂杠杆上，转动旋臂，水平连杆应牵拉等臂杠杆并将作用力传至垂直连杆，垂直连杆绕其轴心转动，并将力作用在力传感器上。②光电门传感器：当挡光杆很小时，其直径与时间的比值即可认为是挡光杆通过此位置时的线速度大小，测得挡光杆到转轴中心的距离即可求出其角速度，也是砝码绕轴运动的角速度。注意：点击“开始记录”，保持旋臂静止不动，对传感器进行软件“调零”。③进一步明确各个物理量的测量方法，利用控制变量法探究F与m、ω、r定量关系。
　　学生依据此方案进行分组实验探究并得出结论。教师巡视、指导。
　　学生代表利用多媒体网络展示数据及分析结果。
　　生1：保持m和r一定，随着旋臂转速逐渐减慢，软件窗口上方的坐标系内将显示自右上方至左下方分布的一组F—ω数据点，点击“停止记录”，对数据点进行分析。分别点击“一次拟合”、“二次拟合”、“三次拟合”，得出三条拟合图线。观察可见，二次拟合图线（过原点）与数据点的分布非常接近，可判断F—ω之间是二次方关系，即F与ω2成正比（如下页图4）。
　　
　　生2：我们组在实验的过程中记录了同质量的物体在四个不同半径的情况下F—ω的数据点，分别对这四种情况进行二次拟合，得出四条图线（如下页图5）。然后选取同一角速度下的四个点，保证了物体m和ω一定，探究F与r的关系，通过对F—R图像的拟合发现一次拟合与数据点的分布非常接近，可判断F—r之间是正比的（如图6）。
　　生3：我们组在实验的过程中记录了不同质量的物体在相同半径的情况下F—ω的数据点，对这三种情况进行二次拟合，得出三条F—ω的拟合图线（如图7）。然后选取同一角速度下的三个点（即保证了物体r和ω一定），探究F与m的关系，通过对F—m图像的拟合发现一次拟合与数据点的分布非常接近，可判断F—m之间是正比的（如图8）。
　　学生得出结论。教师给予适当评价。
　　4.拓展提高
　　师：在实际生活中有很多圆周运动的例子，我们知道了圆周运动的知识和向心力的决定因素就可以分析有关现象了。
　　学生观看视频：魔盘游戏，解释现象（如图9）。
　　5.作业
　　研究课题：实验台上还放有铁架台、小球，你能利用这些仪器探究小球在竖直平面内做摆动时，在最低点的向心力F和摆球质量m、圆运动半径r、最低点速度v之间的定量关系吗？把实验方案上传校园网物理作业文件夹上。
　　● 教学反思
　　本教学设计和教学实施落实了高中物理的目标要求，体现了新课程的精神：以创设问题情境为切入点，以观察实验（事实）为基础，以培养学生的思维能力为核心，以提升学生探究能力为重点。
　　1.信息技术的有效运用
　　（1）传统仪器和DIS传感器的有机结合
　　物理学是一门以实验为基础的科学，而实验又是获得直接经验的重要途径，因此我利用传统的J2130向心力演示仪作为创设探究问题的平台，引导学生利用控制变量法猜想影响向心力大小的因素，先让学生直观体验、亲身感受，获得感性认识。这样做充分体现了传统实验的优点：实验现象很直观，物理意义体现得比较充分，学生容易接受。
　　
　　但是传统的实验无法定量研究物理量之间的关系，解决不了瞬时性问题。而传感器正好解决了这一难题。学生利用现代实验方法DISLab向心力实验器通过力传感器测量向心力，角速度通过光电门进行测量，并将这些实验数据呈现在F—ω坐标系中。这充分体现了信息技术的优越性：能对实验数据进行快速处理，能采用多种方式报告实验结果，能对实验教学起到辅助观察、辅助分析、辅助讲解、辅助探索的作用。
　　二者的有机结合，使学生从问题的感性认识上升到理性认识，从对问题的定性了解上升到定量研究，对要研究的问题有了更深入的理解。自然界的物质是无言的，实验实现了人与自然的对话，对话中物质做出回答，从中学生收集信息，经过整理和归纳发现自然界物质运动的规律，在这种环境中使学生逐步树立辩证唯物主义世界观。
　　（2）电子白板和实物投影的综合利用
　　学生代表用实物投影展示本组的实验装置，利用电子白板展示实验方案，用计算机展示探究结果，首先节省时间；其次提供了一个师生、生生交流的平台，教师可以直接在电子白板上加以评价和适当强调，能及时把这一富有挑战性的探究结果反馈给每一个学生，使学生在推测、判断中获取真知，真正营造一个宽松、和谐、探究的教学氛围。
　　（3）多媒体网络的使用
　　在多媒体网络环境下进行全班性的展示交流，展示学生的实验设计和实验成果，展示游乐场中的魔盘游戏。学生进行展示时，对自己的设计和验证进行解释和说明，同时接受其他同学的提问。学生在交流中开阔思维，拓展了视野，受到了很大的启发，有利于思维能力的培养和提升科学探究能力，同时优化了课堂教学。
　　这种信息技术与学科教学整合的环境，能够调动学生的学习积极性，培养学生的自信心和创新意识，增强学生的成就感和信息意识，使学生获得终身学习的能力。
　　2.教师感悟
　　（1）教师角色的转变
　　在信息技术与学科教学整合的环境下，教师的角色发生了变化：进一步突出了教师服务者的角色，教师要整理、提供各种教育资源，要设计学习任务，为不同的学生提供选择；教师由课堂的绝对领导者变成了帮助学生探索新知识、使学生获得有效学习方法的组织者、引导者；由单一的面授转化为幕前和幕后的指导者。
　　（2）促进教师专业成长
　　在教学中要使信息技术与教学内容、教学过程有机结合，与学生的发展需求有机结合，除了对教师的教学理念提出要求之外，对教师的信息技术应用能力也提出了更高要求，因此信息素养已经成为教师基本功之一。通过整合的实践研究，教师的信息素养不断加强，运用信息技术工具的能力不断提高，有效地促进教师的专业成长。
　　
　　点评
　　在《探究影响向心力大小的因素》的教学中，教师重点引导学生借助传统实验仪器（如J2130向心力实验仪等）和以数字化信息系统（DIS）为核心的现代实验技术相结合的实验设备（如DISLab向心力实验器、力传感器、光电门、计算机及相应处理软件等），精心设计实验方案、深入体验实验过程、分析处理实验数据，从而发现影响向心力大小的因素，并得出向心力与各因素的定量关系，极大地培养了学生的研究能力。数字化信息系统的应用充分体现了信息技术在物理实验教学中的优越性，它解决传统实验中瞬时性关系的确定问题，使定量研究各物理量之间的关系成为可能，更起到了“对实验数据进行快速处理，能采用多种方式报告实验结果，能对实验教学起到辅助观察、辅助分析、辅助讲解、辅助探索的作用”，催化了“使学生从对问题的感性认识上升到理性认识，从对问题的定性了解上升到定量研究”的实现过程，学生的研究能力在体验中得到了培养与提升。同时，交互式电子白板以及视频展示台的运用使得内容呈现、师生互动、学习反馈更为快捷方便，教学引导思路更为明确，教学重点更为突出，让课堂生成更加灵活而有效。说到底，本堂课重在创设一个数字化的学习环境，让“深度的物理探究”成为可能，优化了教学目标的达成。