關于“向心力和向心加速度”DIS實驗的探究

摘 要：探究性學習是指以課題為載體，以學習和應用基本研究方法為目標，以個體和合作探究、體驗為途徑的學習活動，其實施形態主要是：有指導的學生自主活動。探究性學習包含以下步驟：問題提出→實驗探究→教學總結。將DIS實驗引入課堂教學，不僅把信息技術和物理實驗教學有機的整合在一起，更重要的是貫穿和落實了課改教學理念。本文通過老師提出問題，學生經歷探索勻速圓周運動物體的向心力和物理質量、運動半徑和角速度的關系的過程，感受科學探究的方法，培養學生抽象思維能力和實驗探究能力。

關鍵詞：向心力； DIS實驗； 探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1006-3315（2013）02-047-002

一、問題的提出

向心力和向心加速度的教學是高中階段物理教學的一個難點，學生理解起來比較抽象。所以可以結合DIS實驗使學生能夠真正理解其概念。要讓學生理解向心力的大小和哪些因素有關系呢？我們怎么樣來研究呢？實驗中應如何控制變量？實驗需要觀察記錄什么呢？根據學生討論可以確定以下實驗步驟：

二、實驗探究

實驗目的 研究向心力與質量、半徑和角速度的關系。

實驗原理 使物體做圓周運動的力叫向心力，向心力的大小與物體的質量、角速度的平方、半徑成正比，即F=m？棕2r。

實驗器材 朗威DISLab、計算機、DISLab向心力實驗器、物理支架等。

實驗步驟

⑴將光電門傳感器和力傳感器分別接入數據采集器；

⑵按實驗裝置圖將兩個傳感器固定在向心力實驗器上。實驗器的有關數據：擋光桿直徑0.005m、兩砝碼質量分別為0.02kg和0.01kg，擋光桿到軸心的距離為0.14m。

⑶調節做圓周運動的物體的砝碼的半徑是0.06m，選擇其質量為0.02kg。

⑷打開“計算表格”窗口，點擊開始，轉動實驗器的懸臂，記錄F，t數據，點擊公式，輸入線速度和角速度的計算公式，得到計算結果。

⑸點擊“繪圖”，選取X軸為“ω”，Y軸為“Fn”，得到數據點在坐標內的分布圖（圖2）。分別進行一次擬合、二次擬合和三次擬合，發現二次擬合十分準確，可見向心力的大小與角速度的平方成正比。如圖3所示。

⑹為了進一步的說明向心力的大小和角速度的平方成正比，可以先計算出角速度平方。再在“繪圖”中選取X軸為ω2，Y軸為Fn，點擊線性擬合，擬合圖線是過原點的直線，從而更一步證明這一關系。如圖4所示。

怎么來控制質量（m）和角速度（？棕）一定，在圖象上得到向心力和半徑的關系呢？

⑺調節做圓周運動物體的砝碼的半徑是0.12m，選擇質量仍為0.02kg，重復上述步驟，開始測量。得到第二組實驗數據，把第一次得到的圖線和第二次得到的圖線進行比較，用軟件“顯示坐標”動能，比較角速度（ω）相同時兩條圖線Fn的大小，可以從圖線上（圖5）比較出來，半徑分別是0.06m和0.12m所對應的向心力是1：2的關系。可見向心力的大小與半徑成正比。

怎么來控制半徑（r）和角速度（ω）一定，在圖象上得到向心力和質量的關系呢？

⑻調節做圓周運動物體的砝碼的半徑是0.12m，選擇質量是0.01kg，重復上述步驟，開始測量。得到第三組實驗數據，把第一次得到的圖線和第三次得到的圖線進行比較，用軟件“顯示坐標”動能，比較角速度（ω）相同時兩條圖線Fn的大小，可以從圖線上（圖6）比較出來，質量分別是0.01kg和0.02kg所對應的向心力是1：2的關系。可見向心力的大小與質量成正比。

實驗結論 經過分析比較得出結論：向心力正比與物體的質量、角速度的平方、物體做圓周運動的半徑。從而可以根據牛頓第二定律得出向心加速度a=？棕2r。

三、教學總結體會

1.DIS實驗使一些物理實驗變得可操作性。DIS不但能替代打點計時器、彈簧秤、溫度計、壓強計等許多傳統儀表，而且能測量傳統儀表無法測量的物理量，如直接測量瞬時速度（光電門）、磁感應強度（霍爾傳感器）、微電流（微電流傳感器）等。即使替代也不是簡單的功能重復，而是大大提高了測量范圍、精度、速度，

這為解決電磁學實驗中暫態現象的觀察和記錄提供一種很好的方案。以前課本中很多實驗都是無法通過簡單的實驗儀器完成的，比如向心力演示實驗，只能通過老師講解，學生理解起來比較困難。DIS實驗引入高中物理課堂，就等于把那些用一般儀器無法完成的實驗通過傳感器、計算機等現代化工具很好的、準確的呈現在我們面前。DIS實驗使物理實驗更具實時性和直觀性，讓學生更好的理解“向心力和向心加速度”的概念，使學生更容易理解物理規律和實驗原理，激發了學生學習物理的興趣。

2.DIS實驗使物理實驗的過程變的簡單化。傳統的實驗一般都需要幾個同學一起完成，從實驗儀器的搭建到數據的處理最后得出實驗結論，這是個比較復雜的過程，而且數據的處理往往比較麻煩，只有很少的同學能夠真正的把數據處理好。DIS實驗引入高中課堂，多數的實驗學生都能夠獨立的完成，數據的處理都交給了計算機，簡化了數據的處理，有些學生會提出幾種不同的設想，可以利用DIS處理數據的優點，將每一個設想都嘗試一下，這樣的過程其實就是探究的過程。更重要的是使學生能夠有更多的時間用在思考實驗的設計上面，這樣充分挖掘了學生的潛能，有效地培養了學生的創新精神和創新能力，學生能很好的自主探究學習，使學生真正是做物理實驗，使實驗質量和教學效果得到了提升。

3.DIS實驗使物理課程與信息技術有機的整合在一起，貫穿和落實了課改教學理念。DIS實驗依靠先進的科學技術，使現代教育技術進入課堂，給傳統的物理教學注入了新的活力，為課改理念的落實提供良好的技術平臺。

所以作為教師，應該將傳統實驗的思想與現代技術結合起來進行實驗教學，不斷創新，領會課改的精神，并把它融入到自己的日常教學工作中去，才能真正做到以“學生發展為本”，為學生提供人性化的展示舞臺，促進學生的個性化發展。