創新物理實驗，助力問題解決

【關鍵詞】高中物理；創新物理實驗；水平面內圓周運動；臨界問題

【中圖分類號】G633.7" 【文獻標志碼】A" 【文章編號】1005-6009（2023）50-0091-02

物理是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗在高中物理教學中有著舉足輕重的地位。觀察和實驗可使學生對物理事實獲得具體、明確的認識，使抽象的理論問題具體化、形象化，開闊學生的視野，提高學生學習物理的興趣，幫助學生建立物理模型，解決物理問題。

下面筆者通過分析一個自制實驗——探究水平面內圓周運動的臨界問題演示儀，來談談如何通過創新物理實驗提升學生物理問題解決能力。

一、問題分析

水平面內圓周運動的臨界問題通常有兩類，一類是與摩擦力有關的臨界問題，一類是與彈力有關的臨界問題。

與摩擦力有關的水平面內圓周運動的臨界問題是個難點，因為靜摩擦力的大小在0到最大靜摩擦力之間，它會隨著向心力的變化而變化。但這個具體的變化情況無法用眼睛去直接觀察。與彈力有關的水平面內圓周運動的臨界問題更是個難點，因為學生看不出隨著向心力的增大繩上何時才會出現張力，出現張力后這個張力的大小又如何變化，此力也不方便用彈簧測力計去測。而通過力傳感器就可以很好地解決此類問題，學生能夠清楚地看到靜摩擦力的變化情況以及繩上何時出現張力，以及出現張力后張力與角速度的變化關系。

二、實驗裝置制作

1.制作材料

一塊平整的長、寬都為50cm左右的薄木板，材質相同的50 g鉤碼 3個、80 g鉤碼 1個，帶鉤子的小木塊1個，遮光片1個，鐵架臺1個，力傳感器和光電門傳感器各1個，手搖皮帶傳動裝置1臺，膠帶1卷。

2.實驗裝置的制作方法

（1）用鋸子將水平木板鋸成直徑約50cm的圓形，安裝在手搖皮帶傳動裝置的轉軸上，用鉛筆和直尺在圓盤上畫出過原點的兩條直線。

（2）用釘子將力傳感器固定在圓盤中心。

（3）用膠帶把遮光片固定在圓盤的邊緣，遮光片要凸出一點便于能遮住光電門發出的光。

（4）把光電門安裝在鐵架臺上，使光電門靠近圓盤。當遮光片隨圓盤轉動到光電門處時，通過光電門記錄遮光片的遮光時間，以此來計算圓盤轉動的角速度。

最后制作出如圖1所示的實驗裝置。

三、教具的用途

上述實驗裝置可以使水平面內圓周運動的相對滑動的臨界問題具象化，便于學生理解掌握此類臨界問題。本教具可模擬以下現象。

1.相對滑動與物體質量無關

將一個50g的鉤碼和一個80g的鉤碼放在圓盤上半徑相同的圓周上，即保證兩個鉤碼做圓周運動的半徑和摩擦因數均相同。鉤碼在水平方向只受靜摩擦力，故只由靜摩擦力提供向心力，當需要的向心力大于最大靜摩擦力時，鉤碼開始相對圓盤滑動。教師搖動手柄使圓盤轉動的角速度逐漸增大，結果發現隨圓盤轉動角速度的增大，2個鉤碼同時相對圓盤滑動，即物體相對圓盤滑動時與物體的質量無關。

2.位置半徑大的物體先相對圓盤滑動

把2個50g的鉤碼（2個鉤碼的材質相同）分別放在圓盤上半徑不相同的地方，搖動手柄使圓盤轉動的角速度逐漸增大，通過實驗可以發現隨圓盤轉動角速度的增大，位置半徑大的鉤碼先相對圓盤滑動。

3.摩擦因數小的物體先相對滑動

把2個50g的鉤碼（其中1個底部粘了橡膠皮）分別放在圓盤上半徑相同的圓周上，即保證兩個鉤碼做圓周運動的半徑相同，搖動手柄使圓盤轉動的角速度逐漸增大，能夠發現隨圓盤轉動角速度的增大摩擦因數小的鉤碼先相對圓盤滑動。

4.張力與角速度之間關系驗證

把小木塊用細線系在力傳感器上，連接傳感器和電腦，在電腦里打開SWR數字化信息系統軟件，設置好橫軸和縱軸所代表的物理量：把力傳感器測出的力作為縱軸，光電門傳感器測出的角速度作為橫軸。搖動手柄使圓盤轉動的角速度逐漸增大。

實驗結果顯示“角速度—力”關系線最初的一段是水平的，說明此時細線上的張力為零，這表明當圓盤轉動的角速度較小時，繩上未出現張力，靠靜摩擦力提供小木塊隨圓盤轉動的向心力。同時，當角速度增大到某一數值時繩上開始出現張力，出現張力后張力與角速度之間呈拋物線關系，滿足表達式：T + [fm]=mr[ω2]。

上述實驗裝置取材容易、操作方便，讓學生對水平面內圓周運動的臨界問題由紙上談兵變成親身體驗，能夠幫助學生更為直觀地了解水平面內圓周運動的臨界問題。

在課堂的演示實驗教學中，通過引導學生觀察與分析實驗現象，能夠幫助學生更好地理解掌握物理知識。學生物理素養的提升需要高中物理教師對物理實驗進行創新研究，給學生提供更多的實際操作體驗，幫助學生解決問題，使得學生在實踐中加強對物理知識的理解及內化。

（作者單位：江蘇省江陰長涇中學）

特約編輯：孫士海 見習編輯：王一民