開發創新實驗資源 培養學生核心素養

(首都師范大學附屬麗澤中學，北京 100071)

創新實驗資源是科學探究教學的重要內容，也是落實課程目標、全面提高學生核心素養的重要途徑。這就迫切要求中學物理教師要善于吸收教育科學及物理學的最新成果，拓寬自己的知識面，挖掘出教材所蘊涵的探究性因素，精心設計相應的探究性課題，開發創新實驗資源，以更好地培養學生的科學探究能力，使其逐步形成科學態度與責任。

1 源于師生的困惑

放在轉盤上的物塊隨轉盤一起做勻速圓周運動時，它與轉盤保持相對靜止，那么它們之間的靜摩擦力的方向該怎么判定？有些學生常常認為，靜摩擦力的方向與物體的運動趨勢方向相反，木塊隨轉盤一起勻速轉動，運動時有沿切線方向飛出的趨勢，因此靜摩擦力的方向應該沿切線方向，這是一種較普遍的錯誤認識，其原因是忽略了研究運動時所選用的參考系。

通常所說的做勻速圓周運動的物體有沿線速度方向飛出的趨勢，是指以地面為參考系而言的。而靜摩擦力的方向總是跟相對運動的趨勢方向相反，這應該是對相互接觸的兩個物體來說的，即是對物塊與轉盤而言的。然而以轉盤為參考系，教會學生判定物塊相對于轉盤面的運動趨勢，是困擾高中物理教師的一大難題，無論怎樣解釋，學生還是不理解，最后往往從物塊做勻速圓周運動時必受一個指向圓心的向心力作用來分析，所以物塊所受靜摩擦力必定指向圓心，以提供向心力，最后學生雖然記住了這個結論，到頭來還是沒有真正搞懂。到底在高中階段能不能突破這一難題呢？為此筆者設計了一個創新實驗以期能突破它。

2 旋轉參考系中液滴運動的實驗研究

筆者自制了“判定轉盤物塊靜摩擦力方向的演示儀”，如圖1所示，把鋁塑板剪成一個大的圓盤面，取一個硬質塑料轉柄，通過木螺絲固定于鋁塑板圓盤面上，在塑料轉柄凹孔內插入一不銹鋼細棒，用銷釘螺絲銷住。

圖1

圖2

如圖2所示，取一個手搖皮帶輪傳動機械，把不銹鋼轉軸插進皮帶輪傳動機械的凹槽中，使鋁面朝下，白色塑料面朝上，再用銷釘螺絲拴緊，這樣整個裝置安裝完畢。

該創新實驗的另一個重要環節是配制適當的溶液，取20毫升止咳糖漿，倒入小塑料杯，再滴入少許藍黑墨水，攪拌均勻即可。本實驗對溶液要求較高，不稀不稠，溶液配制不好，將會前功盡棄。本人進行了大約三百多次實驗，最后找到了這種溶液配置方法，實驗效果較好。

3 實驗過程及觀測

如圖3所示，首先把皮帶輪傳動機械放置在水平工作臺面上，搖動手柄，穩定后使轉盤勻速轉動。請一位學生作為助手，手持裝有溶液的小塑料杯，置于轉盤上方高15厘米處，待轉盤高速旋轉穩定后，指導學生對準轉盤半徑的中點處倒下混合液，形成細長水流并快速完成。為了防止溶液飛濺身上，在操作臺的后面請另一位學生立起一塊擋板。隨著勻速轉動，小液滴便從盤面上飛濺開來，再保持轉盤穩定地旋轉一會兒，待有顏色液體變干后停止搖動手柄。此時學生屏氣凝神，盤上徑跡到底會是什么樣的呢？

圖3

圖4

筆者請一位學生大膽猜想，他脫口而出：圓形的、往外擴，像蝸牛殼形狀。到底是不是如此呢？這里筆者吊足了學生胃口，以激發學生強烈的探究欲望，觀摩的老師們也紛紛拿出手機準備拍攝。筆者卸下轉盤，在投影儀上展示，令在場的師生大吃一驚，形成的徑跡如圖4所示，巧妙地完成了旋轉參考系中液滴運動的實驗展示，課后評課時老師說這個創新實驗太震撼了，小液滴相對轉盤的運動徑跡沿半徑方向向外，一目了然，事實勝于雄辯。

4 實驗結論及理論分析

筆者所自制的轉盤上表面是白色塑料,所以比較光滑，它成功展示了圓盤勻速轉動時小液滴與轉盤的相對運動，說明圖2中物塊隨轉盤一起做勻速圓周運動時，雖說與轉盤相對靜止，但具有相對于轉盤沿半徑向外運動的趨勢。我們判定相對靜止物體之間的相對運動趨勢時，總是假想接觸面光滑，所以說該實驗近似模擬了勻速圓周運動中小液滴與轉盤的相對運動，突破了物塊隨轉盤一起做勻速圓周運動時靜摩擦力方向判定的難題。應用該實驗探究，結果一目了然，既激發了學生的興趣，又使他們終生難忘。

針對數學功底較好的學生，我們也可以通過理論來論證如下:首先把問題簡化，抽象建模，把研究的物塊看作質點，它隨轉盤勻速轉動，設某一時刻質點在距轉軸O距離為R的圓弧上的A點，經過很短的時間Δt，以速率v勻速轉動到A1點，轉過的圓心角的弧度值為α,如圖5所示,則質點轉過的弧長為l1=Rα=vΔt。

如圖5所示,如果圓盤光滑，由于慣性，質點將沿圓的切線飛出，即經過很短的時間Δt，沿A點的切線方向以原有的速率v移到A2點，則質點沿切線運動的長度為AA2=l2=vΔt=Rtanβ，在相同時間Δt內，質點轉過的弧長等于其切線長，則α=tanβ，根據數學知識可知：當β很小時，角度的弧度值等于其正切值，β=tanβ，則α=β。即在質點轉過角度很小時，點A1與A2跟轉軸O三點共線(如圖6),說明轉盤光滑時質點會沿半徑遠離圓心，即質點在隨轉盤一起勻速轉動時有遠離圓心的運動趨勢，所以靜摩擦力的方向與離心趨勢相反，沿半徑方向指向圓心。

圖5

圖6

5 結語

開發創新實驗資源，實施探究教學，在全面提升學生核心素養方面具有廣闊的研究前景，所以教師在教學過程中要深挖教材中的探究性因素，開發創新實驗資源，給學生提供必要的科學探究機會，使他們體驗探究的曲折和樂趣，激發學生創新潛能。