向心力表達(dá)式用什么實驗設(shè)置演示更恰當(dāng)

李德林 韓 鹍

(山東省壽光中學(xué) 山東 濰坊 262704)

物理課本必修2“向心力”一節(jié)驗證向心力表達(dá)式的實驗設(shè)置，人教版不同時期的版本選用了不同的器材， 2004年開始使用的課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書，用的器材是圓錐擺．教材的編寫順序是先講向心加速度，再講向心力，由牛頓第二定律得到向心加速度與向心力的關(guān)系，設(shè)計了圓錐擺實驗驗證向心力表達(dá)式．2019年開始使用的普通高中教科書，實驗器材換成了向心力演示器．教材的編寫順序改成了先講向心力，設(shè)計了向心力演示器的實驗探究向心力表達(dá)式，然后再講向心加速度，由牛頓第二定律得到向心加速度的表達(dá)式，這樣編排的優(yōu)點是降低了向心加速度表達(dá)式的教學(xué)難度，弱化了向心加速度的理論分析，但是設(shè)計的實驗探究案例值得商榷．

實驗設(shè)置是物理課程內(nèi)容的重要組成部分，歷來受到人們的重視.物理實驗是學(xué)生獲取知識和能力培養(yǎng)的重要途經(jīng)和方式，兩個版本的教材設(shè)計了不同的實驗方案，哪種實驗設(shè)置更科學(xué)合理？更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律？兩種實驗方案各有優(yōu)點，也都有不足和需要改進(jìn)的地方，綜合比較,圓錐擺實驗教學(xué)效果會更好，更符合新課標(biāo)理念，也更有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和學(xué)科素養(yǎng)．

1 圓錐擺實驗的優(yōu)缺點

1.1 圓錐擺實驗是通用器材

相比向心力演示器，圓錐擺實驗器材簡單廉價，是生活中熟悉的物品，很容易找到，減少了由于器材不足而難以開展實驗的困難，特別是對于實驗條件較差的學(xué)校，能確保實驗的順利開展．麥克斯韋說過，實驗的教育價值與器材的復(fù)雜程度成反比，實驗設(shè)計越簡單、易于操作，越能夠推進(jìn)學(xué)生對規(guī)律的認(rèn)知，建立現(xiàn)象與規(guī)律緊密的、水到渠成的聯(lián)系．學(xué)生普遍感到物理知識難學(xué)，物理實驗深奧難懂，物理實驗器材也一定都是“高大上”，在實驗中如果能用生活中熟悉的物品做實驗，會拉近物理學(xué)與學(xué)生的距離，感受到物理學(xué)就在身邊，使學(xué)生對物理學(xué)產(chǎn)生親近感,消除神秘感．

新課標(biāo)倡導(dǎo)課程內(nèi)容上應(yīng)注重與生產(chǎn)、社會生活相聯(lián)系的理念，教材中引入圓錐擺實驗也能體現(xiàn)這一理念．向心力演示器是專用器材，結(jié)構(gòu)和原理比圓錐擺要復(fù)雜得多，學(xué)生需要花費較多的時間了解器材的原理，學(xué)會如何使用，影響實驗探究的效果．我國著名物理教育家朱正元教授，在20世紀(jì)七八十年代提出“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實驗”的教育思想，今天仍具有指導(dǎo)意義，仍是開發(fā)物理實驗的基本原則之一．

1.2 圓錐擺更體現(xiàn)實驗的科學(xué)性和開放性 體現(xiàn)學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)

新課標(biāo)提出物理教學(xué)的任務(wù)，從傳授物理知識提升到培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)上來，特別強(qiáng)調(diào)物理實驗的科學(xué)性、開放性，有效體現(xiàn)物理實驗的育人功能．相比向心力演示器，圓錐擺實驗更能體現(xiàn)這一原則，更有利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．

(1)物理觀念方面，有利于學(xué)生形成向心力的概念．對向心力概念的理解是本節(jié)教學(xué)上的難點之一，通過圓錐擺實驗，使學(xué)生認(rèn)識到小球受到的細(xì)線拉力和重力的合力就是向心力，而不是憑空多出一個向心力，理解向心力是按照力的效果命名的，不是按照性質(zhì)命名的力．

(2)科學(xué)思維方面，圓錐擺是生活中學(xué)生熟悉的圓周運(yùn)動，通過該實驗初步構(gòu)建圓錐擺這一重要的物理模型[1]，為以后利用這一模型打好基礎(chǔ)，通過這一模型的分析和探究，使學(xué)生形成牛頓第二定律在圓周運(yùn)動中應(yīng)用的科學(xué)思維方法，使運(yùn)動和相互作用觀念，由直線運(yùn)動深化到曲線運(yùn)動中．

(3)科學(xué)探究方面，實驗方案的制定、實施和完善，比如如何求合力，如何求周期和半徑，以及對實驗結(jié)果的評估和誤差分析，能充分體現(xiàn)科學(xué)探究的各要素、各環(huán)節(jié)，調(diào)動學(xué)生的發(fā)散思維能力和創(chuàng)新能力，使學(xué)生體會科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣．

(4)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任方面，圓錐擺實驗使學(xué)生認(rèn)識到物理知識與生產(chǎn)、生活和社會緊密聯(lián)系，生活中處處有物理，引導(dǎo)學(xué)生要學(xué)會透過生活中的現(xiàn)象分析出科學(xué)的本質(zhì)．

1.3 圓錐擺實驗的不足和改進(jìn)

圓錐擺實驗的明顯缺點是小球不容易做圓周運(yùn)動，并且半徑衰減很快，不容易操作，導(dǎo)致實驗誤差較大，這大概也是新教材棄用的主要原因．但誤差因素不影響這個實驗在本節(jié)知識體系中的重要作用，本實驗是粗略驗證或探究，允許誤差略大一些．筆者帶領(lǐng)學(xué)生曾多次做過這個實驗，只要操作規(guī)范，小球可以保持在穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)動五六圈，誤差能控制在合理范圍之內(nèi)．任何物理實驗都存在實驗誤差，判斷一個實驗設(shè)計案例的是否科學(xué)合理，誤差只是一個因素，需要綜合考慮．

本實驗裝置可以進(jìn)一步改進(jìn)和完善．教師們在多年的教學(xué)過程中探索出了不少改進(jìn)措施，近幾年的物理教學(xué)雜志上也發(fā)表了一些關(guān)于本實驗改進(jìn)措施的文章，實驗效果顯著提高，比如改裝成電動圓錐擺，用小電動機(jī)來驅(qū)動圓錐擺的運(yùn)動[2]，就解決了小球不容易做圓周運(yùn)動和半徑衰減快的問題，實驗的可操作性和準(zhǔn)確性大大提高．教科書中也完全可以吸收部分易于操作的、適合通用的改進(jìn)措施，使教材內(nèi)容在改革中既保持連續(xù)性、科學(xué)性，又不斷完善提高．

2 向心力演示器的優(yōu)缺點

向心力演示器是現(xiàn)成的實驗器材，優(yōu)點是簡單直觀，拿來即用，容易操作，省去了學(xué)生自己設(shè)計原理、安裝器材的過程，但是也有比較明顯的不足．

2.1 只能定性分析不能定量驗證

向心力演示器設(shè)計原理是用控制變量法探究向心力與質(zhì)量、半徑、角速度等物理量的關(guān)系，只能粗略定性研究向心力與各物理量的比例關(guān)系，無法定量研究．

2.2 學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)受限

新教材的目的是設(shè)計成探究性實驗，但向心力演示器是結(jié)構(gòu)固定專用器材，專用器材不適合做探究性實驗．實驗器材結(jié)構(gòu)、實驗原理都已成型，只能按照器材設(shè)計好的固定的步驟去操作，留給學(xué)生自主探究的空間很小，缺少自主設(shè)計探究思路的過程，學(xué)生發(fā)散思維能力受限，創(chuàng)新能力受限，體現(xiàn)不出探究性實驗的科學(xué)性、開放性原則，學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)達(dá)不到圓錐擺的實驗效果．另外，從學(xué)生感性角度分析，向心力演示器是別人設(shè)計好了的，自己只是拿來用，不如用通用器材自己設(shè)計有成就感，若自己設(shè)計，學(xué)生會感到自己也能“發(fā)現(xiàn)”物理規(guī)律或驗證物理規(guī)律，既培養(yǎng)了能力，也增強(qiáng)了學(xué)好物理的信心．

探究性實驗適合于學(xué)生做分組實驗，向心力演示器適合于教師做演示，不適合學(xué)生做分組實驗．

2.3 器材結(jié)構(gòu)和原理復(fù)雜

向心力演示器依據(jù)的原理是，兩個標(biāo)尺上露出的紅白相間的格子數(shù)之比等于兩個小球受的向心力之比，該原理教師在課堂上一般是定性簡單分析，定量證明需要力矩平衡和共點力平衡等知識，很顯然不是這個實驗的教學(xué)要求，教學(xué)的重點是探究向心力公式，而不是舍本逐末，花費很多時間和精力介紹器材的結(jié)構(gòu)和原理．缺少定量證明，學(xué)生理解起來有難度，只是被動接受，影響實驗的探究效果．

2.4 實驗誤差較大

實驗操作過程是通過用手轉(zhuǎn)動手柄，使變速塔輪及長槽和短槽隨之轉(zhuǎn)動，槽內(nèi)的小球也隨著做圓周運(yùn)動，用手轉(zhuǎn)動手柄，很難做到手柄勻速轉(zhuǎn)動，手柄忽快忽慢，小球不容易做勻速圓周運(yùn)動，所需向心力大小不穩(wěn)定，因此標(biāo)尺上露出的格子數(shù)也不穩(wěn)定，忽多忽少不容易準(zhǔn)確讀數(shù)，實驗誤差較大．

3 兩種實驗方案的綜合比較

楊振寧先生說過，絕大部分物理學(xué)是從實驗中來的，實驗是物理學(xué)的根源．在中學(xué)階段，實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的重要途經(jīng)，實驗是物理課程的核心內(nèi)容之一，因此實驗設(shè)置在物理教材中具有特殊重要性．

綜合比較兩種實驗方案的特點，圓錐擺實驗是通用器材，更能培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)，更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律和新課標(biāo)的基本理念，改裝和完善可以解決誤差大和不易操作的問題，也有利于教材內(nèi)容的連續(xù)性和穩(wěn)定性．向心力演示器結(jié)構(gòu)和原理復(fù)雜，是專用器材，實驗步驟固定，不適合設(shè)計成探究性分組實驗，學(xué)生科學(xué)探究素養(yǎng)培養(yǎng)有限，實驗誤差較大．因此，2019版新教材把圓錐擺實驗換成向心力演示器值得商榷．