圓周運動教學的實驗設計探討

魯 斌

(浙江省寧波市余姚中學,浙江 寧波 315400)

“圓周運動”是高中物理課程需要詳細研究的運動形式之一，在人教版必修二第四節的教學中，要求掌握圓周運動、線速度、角速度的概念，了解各種傳動機構。如何在概念教學中精心設計實驗，使學生對其理解更加深入？這是值得我們思考和探討的問題。

1 圓周運動概念的引入

圓周運動的定義為：如果質點的運動軌跡是圓周，那么這一質點的運動就叫做圓周運動。可通過日常生活中的實例，找到物體運動的軌跡是圓周的情形。

1.1 壘球的運動與天體的運動

將一壘球用細線懸掛，甩動細線，讓壘球在豎直面內做圓周運動(如圖1)。并提及天體的運動，讓學生體會自然界中的圓周運動(如圖2)。

圖1

圖2

1.2 直升機模型與電風扇

利用科學玩具，展示氣球直升機的飛行(如圖3)，觀察扇葉邊緣點的運動軌跡，并與常見的風扇扇葉(如圖4)、真實的直升機螺旋槳的運動相互聯系，讓學生體會物理學源于生活并運用于生活。

圖3

圖4

2 線速度概念的引入

我們將線速度定義為弧長與通過這段弧長所用時間的比值，和直線運動中速度的定義不同，這里要明確位移與弧長的區別與聯系，并指明這樣定義的原因。

2.1 水井轆轤與卷揚機模型

在西北地區，許多地方運用如圖5所示的轆轤打水，充分利用了圓周運動的空間周期性。在如圖6所示的卷揚機模型中，也用到了這樣的原理。教師提出問題：我們如何計算卷揚機轉軸上質點做圓周運動的快慢？學生會回答說：利用計算重物提升的高度與所用時間的比值來確定。

圖5

圖6

2.2 化曲為直，定量計算線速度

給學生提供打點計時器、紙帶和卷揚機模型，讓他們自主設計實驗。實驗原理圖和實物圖如圖7、圖8所示，將紙帶穿過打點計時器，并與卷揚機連接，轉動卷揚機模型手柄，紙帶便隨滾輪運動，滾輪邊緣點的速度與紙帶運動的速度大小一致。

圖7

圖8

2.3 平均線速度與瞬時線速度

教師提出問題：利用紙帶，可以計算平均速度與瞬時速度，那么線速度是否也有平均線速度和瞬時線速度之分呢？

3 角速度的引入

角速度是用來描述角量隨時間變化的快慢。在學習了線速度之后，讓學生思考：線速度是否足以描述物體做圓周運動的快慢？

3.1 指尖陀螺與圓錐擺的運動

指尖陀螺是最近非常流行的玩具(如圖9)，只需要利用幾個手指進行把握和撥動，便能讓其高速旋轉。讓另一位學生抓住細線使小球做圓錐擺運動(如圖10)，請學生判斷其運動的快慢。陀螺轉速快，小球轉動的半徑較大，無法準確判斷。

圖9

圖10

3.2 控制變量，引出概念

太陽能電池板與馬達相連，組成太陽能電動機(如圖11)，標上A、B、C三點，并在白熾燈照射下進行轉動。此時對于A、B，質點移動的快慢相同，即線速度大小相同。對于B、C，質點轉動的快慢相同，此時便可引入角速度的概念。

圖11

4 修正帶盒中的傳動機構

修正帶是學生常用的文具，拆開修正帶盒，學生可看到其中的多種傳動機構。

4.1 皮帶傳動

修正帶中的兩個繞帶滾輪，分別繞著用過和未用過的修正帶，它們之間利用塑料帶相連，即為皮帶傳動(如圖12)，大輪放出多少帶長，小輪便收縮多少帶長，以保證正常使用。

圖12

4.2 齒輪傳動

通過三個齒輪彼此咬合(如圖13)，使1號齒輪與3齒輪轉動，并通過中間小齒輪2的傳動，保證轉動的角速度與皮帶傳動下大滾輪和小滾輪的角速度相匹配。

圖13

4.3 同軸轉動

圖14

在齒輪之上還有類似圓柱的機構，其與替芯的兩個孔進行嵌套(如圖14)，組合成了同軸傳動機構。經過三個傳動機構的協調運轉，可以使修正帶能流暢使用。

5 結語

分析研究生活中常用的材料，有助于學生加深對物理概念的理解，也可以進一步激發學生學習物理的熱情，感受物理學貼近于生活并運用于生活實際。本文通過壘球、直升機模型等玩具，激發學生研究圓周運動的興趣。通過卷揚機模型的演示和實驗設計，定量計算線速度的大小，通過指尖陀螺和太陽能馬達的演示，幫助學生建立角速度的概念，最后通過修正帶盒的拆解，介紹了幾種傳動機構的模型和特點。在日常生活中，還可以開發、挖掘出許多物理素材，可以運用于物理教學中。