由課堂演示實驗案例探討物理研究型教學的思路

付大鵬

摘?要：本文通過沿斜面滾動物體的運動實例探討在物理研究型教學過程中，配合相關(guān)知識的演示實驗，由淺入深，循序漸進地提出問題，積極地引導學生共同參與學習和探索新知識，不僅能夠明顯的提高教學效果，更有利用培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

關(guān)鍵詞：演示實驗;大學物理;研究型教學

如何在物理教學中調(diào)動學生的學習興趣，由淺入深，引導學生細心觀察現(xiàn)象，并用相關(guān)的知識對觀察到的現(xiàn)象進行分析和解釋，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

我們借助如下的課堂演示實驗進行分析問題：

演示現(xiàn)象1：如圖1所示兩個質(zhì)量相同，半徑R也相同的圓柱體分別是由鋁柱中鑲嵌同質(zhì)量但相對軸心分布距離不同的銅組成。兩柱體初始靜止，從同一非光滑的斜面的同一高度處同時釋放，柱體下落過程中只有純滾動無相對于斜面滑動，觀察它們滾到斜面底端的時間先后關(guān)系？并分析原因？

為培養(yǎng)學生觀察和分析問題的能力，下面采用兩種方法分析：

方法一：由系統(tǒng)的機械能守恒入手分析問題。

選滾動的物體、斜面和地球為系統(tǒng)，設(shè)物體下落高度為h，由于物體下落過程中只有重力作功，系統(tǒng)的機械能守恒，開始位置處為重力的零勢能點，物體下落過程中重力勢能減小，轉(zhuǎn)化為物體質(zhì)心的平動動能和物體繞過質(zhì)心的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動動能，選地面為參考系，設(shè)物體質(zhì)心的平動速率v，物體繞過質(zhì)心的轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動角速度大小為

0=-mgh+12mv2+12Jω2（1）

由于物體下落過程中，只有純滾動無相對斜面滑動，所以有物體質(zhì)心沿斜面平移距離

x，與物體繞軸滾動的弧線長R

，則：

v=Rω（2）

將（2）式代入（1）式中得：

mgh=12mv2（1+JmR2）（3）

下落高度h相同時，m和R相同，J 小的物體的速率v大，應先到斜面的底端。

方法二：由轉(zhuǎn)動定律分析問題。

設(shè)斜面底角為

，物體與斜面的接觸線為瞬時轉(zhuǎn)軸，物體繞瞬時轉(zhuǎn)軸的角加速度的大小為。

根據(jù)定軸轉(zhuǎn)動定律M=Jβ而M=mgRsinα，J=J0+mR2

則?mgRsinα=Jβ

得?β=mgRsinαJ（4）

物體的m和R相同，J小的物體2的角加速度SymbolbA@

大，應先到斜面的底端。

演示現(xiàn)象2：如果同時釋放質(zhì)量和橫截面半徑均不同的圓柱體，觀察情況又會如何？

分析：J圓柱=12mR2，代入（3）式，得 v=4gh3，與圓柱體的m和R無關(guān)。

或代入（4）式，得=2gsinαR，與圓柱體的m和R無關(guān)，即圓柱體同步下落。

演示現(xiàn)象3：如果同時釋放物體是質(zhì)量不同，半徑也不同的球、柱、環(huán)，情況又會如何？

分析：因為J環(huán)=mR2，J柱=12mR2，J球=25mR2

分別代入（3）式，得?v環(huán)

或代入（4）式，得

因此，物體到達斜面底端的先后順序為球、柱、環(huán)如圖2所示。

進一步提出問題：如圖3質(zhì)量相同，半徑相同的兩個圓柱體，從兩個相同高度和角度的斜面頂端同時釋放后滾動下來。圓柱體2有一個質(zhì)量忽略不計的軸，軸的半徑r比圓柱體的半徑R小。第二個斜面中有槽，圓柱體2在滾動的時候只有軸接觸斜面，哪一個圓柱體先到達底端？

在上述的演示實驗觀察和分析基礎(chǔ)上，學生能夠獨立的思考出能夠觀察的現(xiàn)象，并能夠給予分析解釋：

對于圓柱體1：（2）式為v1=Rω?代入（3）式，得：

mgh=12mv12（1+JmR2）

對于圓柱體2：（2）式為v2=rω?代入（3）式，得：

mgh=12mv22（1+Jmr2）

得?V2

或由（4）式，對于圓柱體1：得β1=mgRsinαJ

對于圓柱體2：得β2=mgrsinαJ

由于r

1

因此，物體1比物體2先到達斜面底端。

實踐證明，在教學過程中，配合相關(guān)知識的演示實驗，由淺入深，循序漸進地提出問題，積極地引導學生共同參與學習和探索新知識，不僅能夠明顯的提高教學效果，更有利用培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力。

參考文獻：

[1]盧德馨.關(guān)于研究型教學的思考[J].物理與工程，2005，15（1）：10.

[2]張三慧.大學物理學[M].北京：清華大學出版社，2002.

[3]吳柳.大學物理學上冊[M].北京：高等教育出版社，2014.