用进阶探究突破高中物理实验教学难点①——以“向心力”教学为例

施生晶 郑昌洋

(福建省三明市第二中学,福建 三明 365000)

向心力是高中物理的重点和难点，教材要求通过实验探究影响向心力大小的因素。在实际教学中，因实验器材的制约，有时很难达到教材的要求。在教学实践中，通过定性、半定量、定量的方法进行科学探究，突破教学困境，可帮助学生理解向心力，对影响向心力的相关因素有更加清楚的认识。在实验探究过程中，教师要制订探究方案，促进学生进行深度学习，发展学生的科学思维能力和实验探究能力。

1 自制教具，定性感知

实验：利用乒乓球提矿泉水瓶

实验器材：如图1所示，乒乓球1、乒乓球2(装沙子)、圆珠笔套、细绳、多个矿泉水瓶(水的质量不同)。

图1

学生演示：手握笔套，使乒乓球在水平面内做圆周运动(表1)。

表1

师生互动：让两个学生转动乒乓球，在实验中感知向心力。学生观察到提起矿泉水的难易程度不同，跟转动的技术有关吗？学生交换实验装置，转动乒乓球，观察到：刚才容易提矿泉水的同学，现在却做不到。学生会思考：是什么原因影响了提矿泉水效果？他们急切想知道结论，激发了学生的求知欲。

现象分析：矿泉水瓶被提离桌面，是受到绳子的拉力，拉力使乒乓球做圆周运动。

设计意图：利用乒乓球提矿泉水瓶,实验简单、有趣，通过演示实验，学生获得感性认识，初步体验向心力;调动学生好奇心，当学生发现乒乓球质量(装沙子)不同，产生拉力不同，对探究向心力大小的愿望强烈。

引导探究：学生讨论交流，提出用控制变量的方法研究影响向心力大小的因素，设计“影响提矿泉水拉力大小的因素”探究方案(表2),并动手进行实验探究。

表2

教师设置利用乒乓球提矿泉水实验，创设物理学习情境，确定学习进阶目标，学生积极参与3级进阶活动：看→猜→做，让学生在实验过程中体会成功的喜悦；培养学生观察、分析和解决问题的能力，提升学生的关键能力，领会科学探究方法，提高科学思维能力，让物理学科核心素养的培养在探究过程中落地生根。

2 分组实验，半定量探究

分组实验是学生在教师指导下进行的小组合作完成实验的教学形式，学生动手操作，观察现象、收集数据、分析数据、得出结论，在实验过程中一直处于主动学习的状态。分组实验使学生产生探究物理现象与规律的兴趣，能培养学生的自主学习能力与探究能力，激发学生的创新意识。

实验器材：向心力演示器、铁球、铅球(图2)。

图2

实验探究：介绍演示器的结构和功能，学生动手操作，熟悉仪器的使用，进行猜想。

通过实验操作，学生体会到：做圆周运动的物体需要向心力，会更有根据猜想影响向心力大小的因素。学生通过思考、讨论、交流，提出猜想。

本实验采用什么研究方法？如何进行控制变量？需要记录什么数据？如何比较向心力的大小？引导学生设计探究方案(表3),小组分工合作进行实验探究。

表3

师生互动：小组展示数据，分析数据，交流探究成果，得出结论。

提出问题：各小组的实验数据为何存在差异？对实验装置的改进有什么建议？

学生回答：不同小组摇手柄的速度不同，该装置只能粗略读露出格子数。在实验中，测出力、线速度或角速度大小，就能定量研究各物理量之间的关系。

提出问题：为了测量力、线速度或角速度大小，需要哪些器材？

改进方案：测量力用弹簧测力计、力传感器；测量线速度用计时器与纸带、光电门传感器。

提出问题：测力和线速度的装置要如何安装？

师生互动：学生提出不同的安装方案，教师要及时针对可能出现的问题，指导学生解决。

在师生交流过程中，学生领悟了科学探究的方法；在思维的升华中，提升了发现问题、解决问题的能力，培养了学生的创新能力；布置课题，让能力强的学生进行研究性学习，激发学生学习的主动性和积极性，感受研究的乐趣。

利用向心力演示器进行分组实验，可操作性高，学生积极参与，并乐于探究，能提高学生的动手能力，让学生体验成功的喜悦；在教师引导下，学生在探究中发现问题，层层递进，进行深度学习，敢于质疑，思考更好的解决方案，并表达自己的想法，有利于提高学生的科学思维、科学探究能力。

3 创新实验，定量探究

3.1 实验创新

近些年，很多教学研究者对定量探究向心力大小进行了探索，自制了各类实验装置，实现对角速度和向心力的测量。具有代表性的新式测量装置把单片机、蓝牙无线、步进电机、手机投屏、电机遥控等现代信息技术手段应用到向心力实验仪中，[1][2]在实际教学中达到了预期效果。这些开发的新仪器，个人制造困难、器材较笨重、实验操作繁琐、测量原理不直观、测量精度有待提高，在处理数据时都用到Excel软件，师生需要一定的时间绘制图像，才能得出结论。DIS系统可视性强、操作方便、效率高、测量误差小、数据处理简洁，可以提髙实验的质量，有效提高学生的科学思维能力。[3]

3.2 DIS应用

实验器材：向心力实验器、力传感器、光电门传感器、电机控制器、计算机(图3)。

图3

测量装置：标有质量的槽码若干个；标有刻度的旋臂，能直接读出转动半径；电机控制器直接显示转动的角速度(图4)，能灵活准确地改变槽码做匀速圆周运动的角速度；用力传感器测槽码做圆周运动的向心力大小。

图4

3.3 实验过程

探究实验一：保持物体的质量、转动半径不变，探究向心力大小F与角速度ω的关系。

(1) 打开“DISLab向心力Ⅱ”软件，点击“研究向心力与角速度的关系”。

(2) 设置槽码质量为0.02kg,转动半径为0.1m,调整电机控制器旋纽，使物体转动的角速度为6.07rad/s。

(3) 物体转动稳定后，点击“开始记录”，数据框实时显示向心力F随t变化的动态图像，依次点击“停止记录”“选取F值”，在图线显示区中，选取F稳定的一段(图5)；再点击“记录数据”记录第1组数据(表4)；最后点击“清除本次记录”。

图5

(4) 调整电机控制器旋纽，改变物体转动的角速度，重复(3)的操作,记录第2组数据，共记录6组数据(表4)；

表4 向心力与角速度的关系(m=0.02kg,r=0.1m)

(5) 点击“F-ω图像”，在图线显示区中得到数据点在坐标系内的分布图,显示F和ω的关系，数据点的分布具有抛物线特征(图6)。如何将非线性图像转化为线性图像？

图6

用“化曲为直”的方法，引导学生把ω转为ω2后，点击“F-ω2图像”,在图线显示区中得到数据点在坐标系内的分布图,显示F-ω2的图像，图像清晰、直观(图7),数据点的分布是一条过原点的直线。

图7

探究实验二：保持物体的转动半径、角速度不变，探究向心力大小F与质量m的关系。

(1) 设置转动半径为0.1m,调整电机控制器旋纽，使物体转动的角速度为10.12rad/s,槽码质量为0.01kg。

(2) 重复探究一实验(3)的操作，记录第1组数据(表5)。

(3) 改变槽码质量，重复(2)的操作,记录第2组数据，共记录6组数据(表5)。

表5 向心力与质量的关系(r=0.1m,ω=10.12rad/s)

(4) 数据处理，点击“F-m图像”，在图线显示区中得到数据点在坐标系内的分布图,显示F-m的图像(图8)，数据点的分布是一条过原点的直线。

图8

学生得出结论：当物体的角速度、转动半径不变时，向心力大小F与质量m成正比。

探究实验三：物体的质量、角速度不变，探究向心力大小F与转动半径r的关系。

(1) 设置槽码的质量m=0.02kg(图9),调整电机控制器旋纽，使物体转动的角速度为20.11rad/s，转动半径为0.03m。

图9

(2) 重复探究一实验(3)的操作，记录第1组数据(表6)。

表6 向心力与半径的关系(m=0.02kg,ω=20.11rad/s)

(3) 改变槽码转动半径，重复(2)的操作，记录第2组数据，共记录6组数据(表6)。

(4) 点击“F-r图像”，在图线显示区中得到数据点在坐标系内的分布图,显示F-r的图像，发现图像没有过原点。

教师提出问题：为什么图像不过原点？师生就实验误差进一步讨论，学生思考在实验过程中出现的问题，提出：力或半径的测量有误差，进而找出槽码有一定形状，不能当成质点，导致半径测量误差较大(图9)。学生得出结论：在误差允许的范围内，数据点的分布是一条过原点的直线，当物体的质量、角速度不变时，向心力大小F与转动半径r成正比(图10)。

图10

实验探究能力是物理学科核心素养的重要方面，利用DIS系统，实验操作简便、灵活、快捷，实验机构反应灵敏，能实时对数据进行采集，学生只需点击鼠标，软件就能快速进行数据处理，结果以图像的形式显示，直观地呈现各物理量之间的定量关系，学生对所研究的问题会有更加深入的了解，感受到信息技术的魅力，体验到科学探究的乐趣。学生经历了定量实验探究过程，养成了严谨的科学态度和实事求是的科学精神，发展了科学探究的能力，养成了良好的科学思维习惯。