基于实验创新的高中物理教学设计——以“曲线运动”教学为例

鲁 斌

(浙江省余姚中学，浙江 宁波 315400)

在“曲线运动”的教学中，学生学习的难点为质点沿曲线运动的速度方向、物体做曲线运动的条件。笔者以创新实验为依托，创设真实情境，从特殊到一般，从简单到复杂，呈现物理情境，引领学生建构物理模型，提高他们的科学思维。

1 曲线运动的速度方向

1.1 一个质点做圆周运动

(1) 将垒球用细线悬挂，牵引细线，使垒球在竖直面内做圆周运动，让学生观察垒球运动轨迹以及速度方向。

(2) 利用科学玩具——直升机模型(图1)，进行飞行演示，观察扇叶边缘质点的运动轨迹以及速度方向。

图1

(3)观察图片，在磨砂轮转动过程中铁屑飞出的方向(图2)。

图2

结论1：某一质点做圆周运动时，其速度方向沿着圆周在该点的切线方向。

1.2 大量做圆周运动的质点的速度方向

演示所需材料为：电光花、小电机、转盘、电池。

电光花属于烟花产品中的一种，采用燃点较低的金属粉末，经过一定比例加工而成。燃烧时，火星四射、绚丽夺目(图3)。

图3

如图4所示，将演示材料进行组合，将电光花均匀绕在转盘上。点燃电光花，打开开关，电机带动圆盘转动，便能在空中观察到火星飞离圆盘边缘的径迹(图5)。

图4

图5

结论2：做圆周运动的物体，它们每一点的速度方向都沿着圆周在该点的切线方向。

1.3 任意轨道实验：从特殊到一般

演示所需材料为：鼠标球、水写布、木板、泡沫板、强磁铁，组成的实验仪器如图6所示。

图6

(1) 在平板上留下1号板2号板，让鼠标球沿斜轨道滑下，并在水写布上留下如图7所示的轨迹，从中可以看出：鼠标球沿着切线方向脱离轨道。

图7

(2) 在平板上留下1到4号板，重复上述步骤，在水写布上留下如图8所示的轨迹，从中可以看出：鼠标球仍沿着切线方向脱离轨道。

图8

结论3：质点在某一点的速度，沿曲线在该点的切线方向。

1.4 利用《几何画板》进行理论推导

利用《几何画板》可以进行从割线到切线的演示，基本步骤为选取坐标→绘制函数→确定两点→射线连接→移动数据点。图9展示了利用《几何画板》进行演示的过程。

图9

结论4：从理论和实验两个方面，我们都能得出结论：质点在某一点的速度方向，沿曲线在该点的切线方向。

1.5 通过“链球”实验应用知识

(1) 观看投掷链球视频。

(2) 模拟链球实验。

将鼠标球蘸水后放入圆筒内，并给球一个初速度。这样，鼠标球就沿着筒壁做圆周运动。在适当时刻，将圆筒拿开，小球便沿着圆周的切线方向运动(图10)。

图10 模

(3) 设计“护笼”的形状

教师提问：场地四周为何要设“U”型护笼？

利用课件展示链球从A、B、C三点飞出的速度方向与轨迹(图11)，引导学生进行“护笼”范围的设计，最后给出整体设计方案。

图11

2 做曲线运动的条件的教学设计

2.1 曲线运动的运动性质

(1) 教师提问：曲线运动是变速运动吗？

(2) 理论分析：曲线运动→变速运动→有加速度→一定受力(图12)。

图12

2.2 分析曲线运动的规律

(1) 让两位同学上台投掷飞镖，观察飞镖的运动径迹。

(2) 播放投掷飞镖视频的慢镜头(图13)，让学生仔细观察飞镖的速度方向与受力的关系。

图13

结论1：做曲线运动的物体，其所受外力与速度方向不在同一直线上。

2.3 实验演示，加深理解

让鼠标球从斜面滚下，比较有无磁铁和磁铁放置方向不同情况下在水写布中留下径迹的变化。

(1) 让鼠标球自然滚下，它沿直线运动(图14a)。

图14

(2) 当鼠标球所受力方向与速度方向一致时，它仍沿直线运动(图14b)。

(3) 当鼠标球所受力方向与速度方向不一致，球向磁铁侧偏转(图14c、图14d)。

结论2：物体做曲线运动的条件为：物体所受合力的方向与它的速度方向不在同一条直线上。

结论3：曲线偏转的规律：曲线凹侧的指向为合外力方向。

2.4 演示任意轨道实验，进行验证、拓展

(1) 教师提问：使鼠标球做完整的曲线运动，哪几块板会受力？受力的方向如何？哪几块板可以拿掉？

(2) 依次撤去2号板、4号板、5号板，观察鼠标球是否能做完整的曲线运动？通过实验发现：留下的板可以保证鼠标球做曲线运动。

图15

2.5 联系实际，综合运用

通过分析大河、大江转弯处水的受力，进而解释两岸呈现的不同地理面貌。

3 实验说明

电光花的燃烧时间一般是18 s，应在这段时间内完成实验。在绕制电光花时，应注意尽量不要让其碎裂脱落，否则燃烧会中断。

任意轨道实验有许多设计方案，笔者利用水写布、鼠标球、泡沫板的组合进行实验演示。水写布遇水变黑，水蒸发后恢复白色，干净卫生。鼠标球相较于小钢球的优势在于吸水性好，体积大，可以留下较长的径迹。泡沫板可以用电热切割机进行切割、制作，相较于软管道的优势在于可以任意组合。

在探究物体做曲线运动的条件实验中，四个步骤的实验过程缺一不可，特别是通过对不放磁铁和受力方向与速度方向一致两个过程的探究，对物体做直线运动的条件进行了有效的复习。