水平面內(nèi)圓周運動的實驗設(shè)計

◇ 山東 李懷強

(作者單位：山東濟南市長清中學(xué))

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水平面內(nèi)圓周運動的實驗設(shè)計

◇ 山東 李懷強

高中物理在“力與運動”部分重點研究了合力為0的平衡、合力恒定的勻變速、合力變化的變加速3種運動.圓周運動是典型的變加速運動,它在魯科版教材上出現(xiàn)4次,跨越了2本教材、2個學(xué)期,其跨越的范圍之寬、時間之長、所占篇幅之大及重要程度顯而易見．由此,足以看出圓周運動在整個高中物理中的地位,同時也決定了學(xué)生對它的認識必然要走一個螺旋式上升的路子．它在魯科版教材上的第一次出現(xiàn),是讓學(xué)生理解圓周運動的基本規(guī)律并能應(yīng)用,以后的3次出現(xiàn)都是應(yīng)用(天體運動、電場、磁場)．因此,一開始學(xué)生對圓周運動的認識、基本規(guī)律的理解與掌握就是根基,特別是有關(guān)圓周運動的實驗探究,其地位和作用不能忽視．

學(xué)生對圓周運動因司空見慣而熟悉,因體驗缺乏而陌生,相關(guān)的分組實驗實在太少．筆者對經(jīng)典的圓周運動進行了綜合實驗設(shè)計,通過反復(fù)改裝,最終定型圓周運動綜合實驗平臺(如圖1所示)．該平臺可以完成多項水平面內(nèi)典型圓周運動實驗,便于引導(dǎo)學(xué)生將理論與實踐有機結(jié)合,提高理論應(yīng)用能力以及實驗、實踐的創(chuàng)新能力．

圖1

1 技術(shù)方案

圖2

底座上安裝55 W電機,并將它與上部旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)進行有效連接,透明槽的安裝是為了模擬靜摩擦力提供向心力、離心現(xiàn)象和側(cè)面附著現(xiàn)象(即側(cè)面彈力提供向心力，如圖2所示),而且增強了觀察的可視效果．另外還有測量系統(tǒng)和電路系統(tǒng)．為了保證安全,設(shè)置了3個開關(guān),1個電源控制開關(guān)、2個調(diào)速開關(guān)(二者串聯(lián))．

2 平臺功能

1) 模擬側(cè)面附著現(xiàn)象，即側(cè)面彈力提供向心力的實例．這一現(xiàn)象雖然簡單,可是如果沒有足夠大的轉(zhuǎn)速,足夠大的旋轉(zhuǎn)半徑,根本不可能實現(xiàn)．在該實驗平臺上,當旋轉(zhuǎn)周期達到0.4 s時,滑塊就可以附著在側(cè)面上而不掉下來．當轉(zhuǎn)速緩慢降低,滑塊會沿側(cè)面滑下,效果非常明顯．通過實驗觀察,學(xué)生很容易就能分析出滑塊的受力,明確向心力的來源．在該功能中,創(chuàng)新之處在于注射器活塞的應(yīng)用,將支架與活塞連接,將活塞提起,支架支撐滑塊,待高速旋轉(zhuǎn)后,將活塞推下,但滑塊并沒有落下,而是附著在透明槽側(cè)面繼續(xù)旋轉(zhuǎn)．

2) 模擬水平面內(nèi)靜摩擦力提供向心力的實例．金屬塊放在透明水槽內(nèi),隨透明槽一起旋轉(zhuǎn)．

3) 模擬離心現(xiàn)象．當透明槽轉(zhuǎn)速足夠大時,金屬塊會做離心運動．

4) 模擬圓錐擺運動．將金屬球通過細線掛在金屬桿上,觀察隨轉(zhuǎn)速增大,擺線擺角的變化情況．體會金屬球的受力,分析向心力的來源．

5) 通過控制變量法,較精確地驗證向心力、質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、半徑的關(guān)系．這一功能是該平臺最顯著的特點,可以進行學(xué)生分組實驗．

3 平臺優(yōu)勢

1) 該實驗平臺功能較多,可以完成多項水平面內(nèi)的典型圓周運動．

2) 實驗平臺性能穩(wěn)定、效果明顯、可視性強(槽透明便于觀察)．

3) 實驗安全可靠,集成度高,拆裝方便．

學(xué)生對重要物理規(guī)律的認知都要經(jīng)過螺旋式上升的方式進行,在認知過程中實驗探究與體驗是基礎(chǔ),這是物理學(xué)科特點的要求,同時也是以創(chuàng)新精神和實踐能力培養(yǎng)為中心的素質(zhì)教育的要求．創(chuàng)新思維能為學(xué)生的成功創(chuàng)造更多的機會和途徑．該實驗平臺的創(chuàng)新設(shè)計與使用,可豐富學(xué)生的實驗、實踐經(jīng)歷,強化他們對圓周運動規(guī)律的體驗與感悟,提高實驗技能和素養(yǎng)．同時引導(dǎo)和培養(yǎng)學(xué)生良好的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維,提高他們的思維品質(zhì),掌握科學(xué)的思維方法．

(作者單位：山東濟南市長清中學(xué))