基于實驗創(chuàng)新的高中物理教學設(shè)計
——以“曲線運動”教學為例

魯 斌

(浙江省余姚中學，浙江 寧波 315400)

在“曲線運動”的教學中，學生學習的難點為質(zhì)點沿曲線運動的速度方向、物體做曲線運動的條件。筆者以創(chuàng)新實驗為依托，創(chuàng)設(shè)真實情境，從特殊到一般，從簡單到復雜，呈現(xiàn)物理情境，引領(lǐng)學生建構(gòu)物理模型，提高他們的科學思維。

1 曲線運動的速度方向

1.1 一個質(zhì)點做圓周運動

(1) 將壘球用細線懸掛，牽引細線，使壘球在豎直面內(nèi)做圓周運動，讓學生觀察壘球運動軌跡以及速度方向。

(2) 利用科學玩具——直升機模型(圖1)，進行飛行演示，觀察扇葉邊緣質(zhì)點的運動軌跡以及速度方向。

圖1

(3)觀察圖片，在磨砂輪轉(zhuǎn)動過程中鐵屑飛出的方向(圖2)。

圖2

結(jié)論1：某一質(zhì)點做圓周運動時，其速度方向沿著圓周在該點的切線方向。

1.2 大量做圓周運動的質(zhì)點的速度方向

演示所需材料為：電光花、小電機、轉(zhuǎn)盤、電池。

電光花屬于煙花產(chǎn)品中的一種，采用燃點較低的金屬粉末，經(jīng)過一定比例加工而成。燃燒時，火星四射、絢麗奪目(圖3)。

圖3

如圖4所示，將演示材料進行組合，將電光花均勻繞在轉(zhuǎn)盤上。點燃電光花，打開開關(guān)，電機帶動圓盤轉(zhuǎn)動，便能在空中觀察到火星飛離圓盤邊緣的徑跡(圖5)。

圖4

圖5

結(jié)論2：做圓周運動的物體，它們每一點的速度方向都沿著圓周在該點的切線方向。

1.3 任意軌道實驗：從特殊到一般

演示所需材料為：鼠標球、水寫布、木板、泡沫板、強磁鐵，組成的實驗儀器如圖6所示。

圖6

(1) 在平板上留下1號板2號板，讓鼠標球沿斜軌道滑下，并在水寫布上留下如圖7所示的軌跡，從中可以看出：鼠標球沿著切線方向脫離軌道。

圖7

(2) 在平板上留下1到4號板，重復上述步驟，在水寫布上留下如圖8所示的軌跡，從中可以看出：鼠標球仍沿著切線方向脫離軌道。

圖8

結(jié)論3：質(zhì)點在某一點的速度，沿曲線在該點的切線方向。

1.4 利用《幾何畫板》進行理論推導

利用《幾何畫板》可以進行從割線到切線的演示，基本步驟為選取坐標→繪制函數(shù)→確定兩點→射線連接→移動數(shù)據(jù)點。圖9展示了利用《幾何畫板》進行演示的過程。

圖9

結(jié)論4：從理論和實驗兩個方面，我們都能得出結(jié)論：質(zhì)點在某一點的速度方向，沿曲線在該點的切線方向。

1.5 通過“鏈球”實驗應用知識

(1) 觀看投擲鏈球視頻。

(2) 模擬鏈球?qū)嶒灐?/p>

將鼠標球蘸水后放入圓筒內(nèi)，并給球一個初速度。這樣，鼠標球就沿著筒壁做圓周運動。在適當時刻，將圓筒拿開，小球便沿著圓周的切線方向運動(圖10)。

圖10 模

(3) 設(shè)計“護籠”的形狀

教師提問：場地四周為何要設(shè)“U”型護籠？

利用課件展示鏈球從A、B、C三點飛出的速度方向與軌跡(圖11)，引導學生進行“護籠”范圍的設(shè)計，最后給出整體設(shè)計方案。

圖11

2 做曲線運動的條件的教學設(shè)計

2.1 曲線運動的運動性質(zhì)

(1) 教師提問：曲線運動是變速運動嗎？

(2) 理論分析：曲線運動→變速運動→有加速度→一定受力(圖12)。

圖12

2.2 分析曲線運動的規(guī)律

(1) 讓兩位同學上臺投擲飛鏢，觀察飛鏢的運動徑跡。

(2) 播放投擲飛鏢視頻的慢鏡頭(圖13)，讓學生仔細觀察飛鏢的速度方向與受力的關(guān)系。

圖13

結(jié)論1：做曲線運動的物體，其所受外力與速度方向不在同一直線上。

2.3 實驗演示，加深理解

讓鼠標球從斜面滾下，比較有無磁鐵和磁鐵放置方向不同情況下在水寫布中留下徑跡的變化。

(1) 讓鼠標球自然滾下，它沿直線運動(圖14a)。

圖14

(2) 當鼠標球所受力方向與速度方向一致時，它仍沿直線運動(圖14b)。

(3) 當鼠標球所受力方向與速度方向不一致，球向磁鐵側(cè)偏轉(zhuǎn)(圖14c、圖14d)。

結(jié)論2：物體做曲線運動的條件為：物體所受合力的方向與它的速度方向不在同一條直線上。

結(jié)論3：曲線偏轉(zhuǎn)的規(guī)律：曲線凹側(cè)的指向為合外力方向。

2.4 演示任意軌道實驗，進行驗證、拓展

(1) 教師提問：使鼠標球做完整的曲線運動，哪幾塊板會受力？受力的方向如何？哪幾塊板可以拿掉？

(2) 依次撤去2號板、4號板、5號板，觀察鼠標球是否能做完整的曲線運動？通過實驗發(fā)現(xiàn)：留下的板可以保證鼠標球做曲線運動。

圖15

2.5 聯(lián)系實際，綜合運用

通過分析大河、大江轉(zhuǎn)彎處水的受力，進而解釋兩岸呈現(xiàn)的不同地理面貌。

3 實驗說明

電光花的燃燒時間一般是18 s，應在這段時間內(nèi)完成實驗。在繞制電光花時，應注意盡量不要讓其碎裂脫落，否則燃燒會中斷。

任意軌道實驗有許多設(shè)計方案，筆者利用水寫布、鼠標球、泡沫板的組合進行實驗演示。水寫布遇水變黑，水蒸發(fā)后恢復白色，干凈衛(wèi)生。鼠標球相較于小鋼球的優(yōu)勢在于吸水性好，體積大，可以留下較長的徑跡。泡沫板可以用電熱切割機進行切割、制作，相較于軟管道的優(yōu)勢在于可以任意組合。

在探究物體做曲線運動的條件實驗中，四個步驟的實驗過程缺一不可，特別是通過對不放磁鐵和受力方向與速度方向一致兩個過程的探究，對物體做直線運動的條件進行了有效的復習。