用自制教具探究圓周運動向心力的思考
——培養物理核心素養

樓志剛(義烏市義亭中學 浙江 金華 322005)

用自制教具探究圓周運動向心力的思考
——培養物理核心素養

樓志剛
(義烏市義亭中學 浙江 金華 322005)

隨著新課改的推進，對學生核心素養的培養是物理課堂的新目標，物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗教學是物理教學的重點，而傳統的實驗儀器已無法滿足新的教學要求，再結合現階段學生的認知特點，需要教師開發一些自制教具應用于課堂，更好地促進學生物理核心素養的培養．

自制教具 圓周運動 向心力

物理學是一門以自然界的事物、現象、規律為探究對象的基礎學科，隨著新課改的深入推進，對物理教學也提出新的要求——物理核心素養的培養.物理核心素養是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，是學生科學素養的關鍵成分．物理核心素養主要由“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態度與責任”4個方面的要素構成．

物理教學通常是以知識為線索展開的，這就容易導致教師把教學的重點放在知識的落實上，而忽視了物理課程的育人功能．為了防止這種傾向，教師在設計和開展教學時必須以物理核心素養為導向，將物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任等要求，至始至終貫穿在教學活動之中，使物理教學過程成為學生核心素養的形成過程．

實驗是教學過程中不可缺少的重要環節，也是培養學生核心素養的關鍵所在．而許多傳統的實驗教具已跟不上教學的需要，并且讓學生感覺到物理與生活距離遙遠，因此，在教學中除了利用現有實驗資源，還要開動腦筋，靈活機動地利用生活中常用的一些簡單材料，做好實驗教具的自制自籌，通過自制教具在課堂上的應用可以更好地促進學生物理核心素養的培養.因此在課堂中教師可以充分利用自制教具將生活情境呈現出來，引導學生建立模型，探究規律并得出結論，促進學生物理核心素養的培養．

課堂應用案例：

在“圓周運動向心力”一節的教學中，筆者設計了一套圓周運動向心力探究系列實驗教具，對于向心力中實際運用問題的講解，課堂效果非常理想．

“向心力”一節是普通高中課程標準試驗教科書《物理·必修2》第六章曲線運動的重點、難點，具有承前啟后的作用．它既是本章知識的一個拐點，又是本章內容拓展的重要基礎； 本節課的教學目標是理解向心力的概念、公式及勻速圓周運動中供求關系，并能用來進行簡單的判斷計算，會分析向心力的來源；本節課的教學難點是理解向心力是一個效果力，會分析向心力的來源，理解勻速圓周運動中供求關系．

傳統的教學方式是通過精選實際應用型的習題讓學生分析并解決問題來突破這一難點．然而效果并不明顯，因為在電子產品的沖擊下，現在學生日常生活中對外部事物的觀察較少，腦子中缺少相應的情境，更難建立物理模型解決問題，只能機械式地掌握解題的方法，真正的物理核心素養并沒有得到培養．而本人設計的實驗教具可以很好地解決這一問題，本教具將一些常見的實際情境展現在學生面前，讓學生觀察分析并建立物理模型，最終通過向心力的知識點解決問題．

例如習題中常見的游樂場魔盤問題，如圖1所示，一般的學生都沒有體驗過，沒有相應的情景經歷，也沒有探究的興趣．

圖1 魔盤

鑒于此，筆者做了一個可調速電動轉盤，如圖2所示.以一些不同質量、不同材料的物塊分別放置在不同位置來模擬不同人員在魔盤中轉動的情況，讓學生觀察過之后建立相應物理模型，然后進行向心力來源分析，做離心運動的原因分析？哪些因素決定誰最先滑出去？然后再通過實驗分別驗證學生分析的結果．

圖2 自制可調速轉盤

再如游樂場內還有這樣一種設施：如圖3所示，在一個密閉的豎直滾筒內部，人們靠著內壁站立，然后逐漸加大滾筒轉速到一定程度后，通過設置機關突然將人站立的地板撤去，此時人雖然懸空但是不會掉落.

圖3 滾筒模型

一般題目中直接將模型呈現給學生，學生缺少了建立物理模型的過程，而且也沒有觀察過該設施，甚至都不相信人不會掉下去，解決問題的興趣不大．所以教師在課堂上需要將該物理情景境呈現給學生.筆者在如上所述的轉盤上再設置一個透明塑料桶(圖4)，用轉動起來會發光的自行車風火輪來代替人，便于觀察．為模擬轉動過程中突然撤去的地板，本人在滾筒外壁設置一磁鐵，在滾筒靜止時將自行車風火輪吸在內壁上，當轉速足夠大時磁鐵由于離心運動會脫離滾筒，這時可以等效于地板突然消失，可以發現，風火輪依然靠著內壁沒有滑下．學生觀察了該現象后就有了解決問題的興趣，教師可以讓學生先建立模型，然后再分析向心力來源，進一步還可以分析多大的轉速人才不會下滑．

圖4 自制轉動滾筒

在課堂中還可以呈現一些與學生原有認知相沖突的現象，激發學生的興趣.圖5表示的是鋼球和木球在裝滿水的正在旋轉的轉筒中分布示意圖，密度比水小的木球會往轉軸靠近，而密度比水大的鋼球會向轉筒外側靠近.

圖5 裝木球和鋼球的滾筒

圖6是自制教具實物圖，在轉盤上放置一裝滿水的透明圓柱形塑料瓶，瓶內放置一個鋼球和一個乒乓球，當轉盤轉動時，類似于圖5原理，鋼球靠向外側，乒乓球靠向內側.當圓盤轉動時讓學生觀察現象并分析原因，對提高學生解決實際問題能力有很好的效果．

2017-04-25)