圆周运动教学的实验设计探讨

鲁 斌

(浙江省宁波市余姚中学,浙江 宁波 315400)

“圆周运动”是高中物理课程需要详细研究的运动形式之一，在人教版必修二第四节的教学中，要求掌握圆周运动、线速度、角速度的概念，了解各种传动机构。如何在概念教学中精心设计实验，使学生对其理解更加深入？这是值得我们思考和探讨的问题。

1 圆周运动概念的引入

圆周运动的定义为：如果质点的运动轨迹是圆周，那么这一质点的运动就叫做圆周运动。可通过日常生活中的实例，找到物体运动的轨迹是圆周的情形。

1.1 垒球的运动与天体的运动

将一垒球用细线悬挂，甩动细线，让垒球在竖直面内做圆周运动(如图1)。并提及天体的运动，让学生体会自然界中的圆周运动(如图2)。

图1

图2

1.2 直升机模型与电风扇

利用科学玩具，展示气球直升机的飞行(如图3)，观察扇叶边缘点的运动轨迹，并与常见的风扇扇叶(如图4)、真实的直升机螺旋桨的运动相互联系，让学生体会物理学源于生活并运用于生活。

图3

图4

2 线速度概念的引入

我们将线速度定义为弧长与通过这段弧长所用时间的比值，和直线运动中速度的定义不同，这里要明确位移与弧长的区别与联系，并指明这样定义的原因。

2.1 水井辘轳与卷扬机模型

在西北地区，许多地方运用如图5所示的辘轳打水，充分利用了圆周运动的空间周期性。在如图6所示的卷扬机模型中，也用到了这样的原理。教师提出问题：我们如何计算卷扬机转轴上质点做圆周运动的快慢？学生会回答说：利用计算重物提升的高度与所用时间的比值来确定。

图5

图6

2.2 化曲为直，定量计算线速度

给学生提供打点计时器、纸带和卷扬机模型，让他们自主设计实验。实验原理图和实物图如图7、图8所示，将纸带穿过打点计时器，并与卷扬机连接，转动卷扬机模型手柄，纸带便随滚轮运动，滚轮边缘点的速度与纸带运动的速度大小一致。

图7

图8

2.3 平均线速度与瞬时线速度

教师提出问题：利用纸带，可以计算平均速度与瞬时速度，那么线速度是否也有平均线速度和瞬时线速度之分呢？

3 角速度的引入

角速度是用来描述角量随时间变化的快慢。在学习了线速度之后，让学生思考：线速度是否足以描述物体做圆周运动的快慢？

3.1 指尖陀螺与圆锥摆的运动

指尖陀螺是最近非常流行的玩具(如图9)，只需要利用几个手指进行把握和拨动，便能让其高速旋转。让另一位学生抓住细线使小球做圆锥摆运动(如图10)，请学生判断其运动的快慢。陀螺转速快，小球转动的半径较大，无法准确判断。

图9

图10

3.2 控制变量，引出概念

太阳能电池板与马达相连，组成太阳能电动机(如图11)，标上A、B、C三点，并在白炽灯照射下进行转动。此时对于A、B，质点移动的快慢相同，即线速度大小相同。对于B、C，质点转动的快慢相同，此时便可引入角速度的概念。

图11

4 修正带盒中的传动机构

修正带是学生常用的文具，拆开修正带盒，学生可看到其中的多种传动机构。

4.1 皮带传动

修正带中的两个绕带滚轮，分别绕着用过和未用过的修正带，它们之间利用塑料带相连，即为皮带传动(如图12)，大轮放出多少带长，小轮便收缩多少带长，以保证正常使用。

图12

4.2 齿轮传动

通过三个齿轮彼此咬合(如图13)，使1号齿轮与3齿轮转动，并通过中间小齿轮2的传动，保证转动的角速度与皮带传动下大滚轮和小滚轮的角速度相匹配。

图13

4.3 同轴转动

图14

在齿轮之上还有类似圆柱的机构，其与替芯的两个孔进行嵌套(如图14)，组合成了同轴传动机构。经过三个传动机构的协调运转，可以使修正带能流畅使用。

5 结语

分析研究生活中常用的材料，有助于学生加深对物理概念的理解，也可以进一步激发学生学习物理的热情，感受物理学贴近于生活并运用于生活实际。本文通过垒球、直升机模型等玩具，激发学生研究圆周运动的兴趣。通过卷扬机模型的演示和实验设计，定量计算线速度的大小，通过指尖陀螺和太阳能马达的演示，帮助学生建立角速度的概念，最后通过修正带盒的拆解，介绍了几种传动机构的模型和特点。在日常生活中，还可以开发、挖掘出许多物理素材，可以运用于物理教学中。