《剛體轉動慣量的測量》實驗的教學設計

仲麗麗 孫艷 張健

摘要：在大學物理實驗授課過程中，需樹立實踐技能培養，推動知識的吸收消化等理念。本文對《剛體轉動慣量的測量》實驗，采用“導學式翻轉法”，小組合作學習等教學模式，初步進行了教學實踐探討。

關鍵詞：剛體轉動慣量;導學式翻轉法;小組合作學習

一、 實驗性質和作用

轉動慣量是表示剛體轉動慣性的量度，對于質量分布均勻、幾何形狀規則的剛體，轉動慣量可以通過數學理論計算得到，然而在實際工程中，類似于微型飛行器等的許多回轉體由于其布局各異，外形很不規則，內部質量分布也不均勻，很難根據它的外形準確計算轉動慣量特性，這就需要對轉動慣量進行實際測量【1】。

《剛體的轉動慣量的測量》實驗屬于大學物理實驗中，力學基礎性實驗，原理和儀器構造相對簡單。對于剛接觸實驗的學生，可通過該實驗的學習過程，了解建立實驗測量模型建立的基本步驟、基礎的實驗分析測量方法，建立起良好的按實驗規則操作儀器的習慣，初步嘗試規劃實驗步驟、驗證理論，培養利用理論指導實踐的意識。為下一步能夠完成更復雜、自主性強的實驗打下良好的基礎。

二、 具體教學設計

本人通過《剛體轉動慣量的測量》這一基礎性實驗的教學實踐，采用“導學式翻轉法” 、小組合作學習等教學模式，通過給學生設置問題，引導學生課前學習;課堂上通過提問、學生表述、小組合作學習、師生討論交流等多種靈活方式檢驗學生課前學習效果，以達到培養提高學生自主學習能力的目的。另外針對《剛體轉動慣量的測量》這一基礎性實驗性質，教學指導過程突出“嚴”，學生在學習過程中更要對自己嚴格要求，嚴謹認真。

1.課前環節

學生自主完成：實驗理論知識的準備，熟悉實驗儀器設備，擬定實驗步驟。以教材為依據，以網絡課件為輔助，完成以下任務：

（1）通過查找資料了解轉動慣量的工程應用及其獲得方法;

（2）分析本實驗依據的實驗原理;

（3）了解轉動慣量儀的結構，熟悉存儲測試儀的使用方法;

（4）了解轉動慣量的實驗測量方法;

（5）根據實驗任務擬定實驗步驟，并隨時記錄學習中遇到的問題。

教師課前輔助工作：制作有聲課件、操作視頻、儀器介紹視頻并上傳本校網站供學生自主學習參考，具體內容：

（1）布置實驗預習任務;

（2）有聲課件;

（3）授課視頻;

（4）實驗儀器的結構及使用方法介紹;

（5）實驗報告模板;

（6）數據記錄及處理要求;

（7）儀器使用說明書。

2.課堂環節

（1）預習情況檢驗

課上通過互動提問、學生表述、小組合作學習等檢驗學生預習任務完成情況，在此基礎上指導實驗操作，完成本次實驗課程教學。以下是具體問題：

①轉動慣量的應用舉例？

②獲取轉動慣量的常用方法？

③恒力矩轉動法、扭擺法的實驗原理？

在實驗原理教學中，為了進一步加強學生了解測量條件及理論指導實驗，通過小組合作學習記錄，證明掌握模型建立過程，內容設置： 恒力矩法、扭擺法實驗測量模型。

具體任務：

用繪制流程、推導過程圖的方式，分別闡釋恒力矩法和扭擺法實驗測量模型建立過程，說明實驗需要測量哪些量及測量條件。

具體過程：

教師提示（3分鐘）：教師以扭擺法為例給出以下具體提示，

分析扭擺法的理論依據（理論測量模型），明確扭轉常數概念;建立測量方程;分析轉動慣量、扭擺周期與彈簧扭轉常數的關系，得出轉動慣量的計算式。

個人自學（5分鐘）：嘗試繪制流程/推導過程圖。

小組討論（10分鐘）：組內分享個人繪制圖、綜合成員意見在記錄單上繪制繪制流程/推導過程圖、總結兩種方法的聯系與區別，成果：每組提交合作學習記錄單，隨機抽選2人回答問題。

④驗證平行軸定理及其驗證方法？

（2）實驗操作

①學生熟悉實驗儀器裝置并討論擬定實驗步驟。

②教師提示注意事項

利用恒力矩轉動法完成實驗時，利用水平儀，調節承物臺水平;繞線塔輪槽和滑輪槽等高且方位垂直;保證砝碼片著地時，細線完全脫離塔輪;保證繞線緊密并且不重疊;旋緊遮光棒，防止觸碰光電門。

利用扭擺法完成實驗時，每次彈簧擺角在90度左右，這樣扭轉常數才基本相同。

（3）課堂總結

①教師結合實驗留下分析思考題

分析本實驗產生誤差的主要原因是什么？如何減少這些因素的影響;利用本測量儀的設計思路，設計并研制轉軸摩擦力矩測量儀、剛體質量偏心測定儀;研究其他常用的轉動慣量測量方法，例如三線擺法，并說明三線擺法的測量原理和測量方法。

②總結課堂實驗完成情況

3.課后環節

教師通過對課前、課堂、課后所有環節進行系統總結，發現創新點。可利用下次課前或通過網絡等方式將實驗報告中出現的問題、教學總結的情況等信息反饋給學生，以便整改提高。

三、 教學效果

經過一段時間的教學實踐，《剛體轉動慣量的測量》授課，收到了良好的教學效果。學生普遍反映學習效果好，主要有以下反饋：

1.在教學內容上，目的明確、原理清晰，設計科學規范，內容符合課程特點和教學對象要求。深、廣度符合教學目標要求。對本學科專業前沿知識有所體現，實踐特色突出。

2.在教學實施上，充分體現素質教育和創新教育思想，教為主導學為主體意識強。安排合理、指導得力、組織有序、操作規范熟練。

3.學生注意力集中，學習熱情高，課堂氣氛活躍。有利于學生科學精神、自主學習能力、實踐技能的培養，教學效果較好。

參考文獻：

[1] 劉志壯.剛體轉動慣量測量的研究 [J]. 零陵學院學報.2002（6）.

第一作者簡介：仲麗麗（1981-），女，空軍航空大學基礎部實驗中心實驗師，碩士，主要從事大學物理實驗教學，目前主要研究方向為量子光學。