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視頻課題：第五屆全國高中物理教師微課模擬課講課（無生課堂）視頻《探究向心力》廣西桂林市陽朔縣陽朔中學高中物理

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第五屆全國高中物理教師微課模擬課（無生課堂）視頻《探究向心力》廣西桂林市陽朔縣陽朔中學高中物理

《探究向心力》說課
廣西壯族自治區桂林市陽朔縣陽朔中學 徐翠香
使用教材:人教版高中物理必修二､第五章第6節《向心力》
一､教材分析
(一)教材地位
向心力､向心加速度是本章教學的重點,具有承前啟后在作用｡對前是牛頓運動定律的延伸,對后是圓周運動的應用,以及為萬有引力做知識儲備｡
(二)教材設計思路
課本用向心加速度公式結合牛頓第二定律從理論推導向心力表達式,再利用課本實驗——用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式,這個實驗雖簡單直觀,但是實際操作困難,物理量難測量｡
二､物理核心素養
教師在教學過程中,應該培養學生的物理核心素養,設計探究實驗,讓學生從事實經驗出發,推理猜想,再用實驗驗證,像科學家一樣思考,得出結論｡
(一)物理觀念:從物理學視角形成的關于物質､運動與相互作用､能量等的基本認識,是物理概念和規律等在頭腦中的提煉和升華
(二)科學思維:基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑､批判,進而提出創造性見解的能力與品質
(三)實驗探究:提出物理問題,形成猜想和假設,獲取和處理信息,基于證據得出結論并做出解釋,以及對實驗探究過程和結果進行交流､評估､反思的能力
(四)科學態度與責任:在認識科學本質,理解科學·技術·社會·環境(STSE)的關系基礎上逐漸形成的對科學和技術應有的正確態度以及責任感
三､教學目標和實驗內容
(一)教學重點
1.理解向心力的概念
2.學生感受向心力和實驗探究向心力的表達式
(二)教學難點
學生實驗探究向心力的表達式
(三)教學對象分析
1.學生知識層面:學生已經學過勻速圓周運動的概念以及描述勻速圓周運動的物理量,從理論上推出了向心加速度的表達式,對數學的一次函數､二次函數關系已經熟練掌握｡學生可以運用牛頓第二定律結合向心加速度公式,從理論上推導出向心力表達式
2.學生能力層面:學生理解向心力是效果力,是指向圓心的合力;已經掌握用EXECL軟件處理數據,合理選擇變量,擬合圖像的方法,初步具備探究實驗的能力
(四)實驗方法
定性關系實驗:感受向心力
定量關系實驗:自制創新教具——無線向心力測量儀(圖1)

圖1

1.控制變量法
(1)控制小球質量､半徑不變,探究向心力與角速度的關系｡
(2)控制小球質量､角速度不變,探究向心力與半徑的關系｡
(3)控制小球角速度､半徑不變,探究向心力與質量的關系｡
2.圖像法
把數據輸入計算機,用EXCEL分別作出F-ω²､F-r､F-m圖像,得出結論｡
3.驗證法
將實驗數據代入向心力表達式F=mrω²計算出結果,理論值與測量值比較,驗證實驗結論,得出結果｡
四､實驗創新設計
(一)興趣實驗——感受向心力
1.【實驗目的】
(1)使學生初步認識向心力與其影響因素之間的關系｡
(2)使學生通過控制變量法完成實驗｡
2.【實驗裝置】(圖2)

圖2

3.【實驗創新點】
這個實驗裝置比較簡單,讓學生通過甩動擺球,感受繩對手的拉力去體驗向心力的大小｡該實驗現象明顯,能很快讓學生得到定性地結論,在具體教學中,很好地激發了學生的學習興趣｡
教學的第一要素,是激發學生的興趣,于是我設計了興趣實驗“感受向心力”｡教師引導學生體會與猜想,小球做圓周運動的向心力大小與什么因素有關?
學生通過實驗猜想:向心力可能與半徑､質量､角速度､線速度等有關系｡
看到學生的興趣被激發出來,教師繼續提問:角速度､線速度､周期有什么關系?學生根據線速度公式可以推理出其關系,于是縮小研究范圍,討論F與m､r､ω､這4個物理量的關系｡那么它們有什么樣的定量關系呢?
目前討論向心力定量關系的實驗有這些,通過實驗研究我發現它們存在以下不足:課本圓錐擺實驗操作困難,物理量難測量｡傳統的向心力儀器,只能粗測,不夠精確｡現在市面上最新､普及率最廣的郎威傳感器也存在以下不足:1､向心力間接測得,誤差大｡ 2､只能生成F-ω圖像,不滿足多次控制變量的需求｡ 3､數據圖像直接生成,沒有讓學生充分體驗“過程學習”｡為了解決以上不足,我自制創新教具——無線向心力測量儀(圖3),突破教學難點｡

圖3 無線向心力測量儀,是一個可以直接測F和ω的儀器｡   無線向心力測量儀各部分結構介紹如圖4—11所示｡

圖4 這是角速度儀,可以直接顯示角速度的大小,利用單片機驅動步進式電機獲得穩定的角速度,調節旋鈕,可以改變角速度的大小｡外殼采用透明材料,讓學生清晰看到內部構造,激發學生的興趣｡

圖5 這是測力計,內部安裝拉力傳感器,采用無線發射與接收的方式顯示向心力的大小｡我設計了2種顯示力大小的方式,第一種､數字顯示｡第二種､通過自編軟件,在電腦上顯示｡顯示力的大小有2種方式:(圖6､7)                  圖6 第1種:數字顯示       圖7  第2種:通過自編軟件,在電腦上顯示

這是圓心(圖8),通過軌道上的標尺可以讀出小球運動的半徑(圖9),改變線長,改變半徑(圖10),改變小球,改變質量圖(11),小球的質量可以用天平測量出,還有可以調節水平的水平儀｡

圖8  圓心                             圖9 讀半徑   圖10  改變線長,改變半徑               圖11 改變小球,改變質量

學生通過自制創新實驗教具可以測出實驗所需要的物理量——F､m､r､ω(圖12)

圖12

(二)創新實驗——無線向心力測量儀
1.【實驗目的】
(1)使學生探究向心力于其影響因素之間的定量關系｡
(2)使學生通過控制變量法､圖像法完成實驗｡

2.【實驗裝置】(圖13)                圖13  無線向心力測量儀

3.【實驗創新點】
教師自制教具簡單直觀,該儀器可以直接顯示向心力和角速度的大小,并且讀數方便準確,非常有說服力｡這個實驗裝置滿足多次控制變量的要求,讓學生充分體驗“過程學習”,并且通過科學探究過程,樹立科學探究意識,掌握科學探究方法｡
教師引導學生用無線向心力測量儀分組設計探究實驗方案,學生通過觀察討論,得到本節課的實驗方法:
4.【實驗方法】
(1)控制變量法
 ①控制m､r不變,討論F､ω關系｡
②控制m､ω不變,討論F､r關系｡
③控制ω､r不變,討論F､m關系｡
(2)圖象法:把數據輸入電腦,用EXCEL分別作出F-ω²､F-r､F-m圖像,得出結論｡
(3)驗證法:實驗數據代入F=mrω²計算,計算值與測量值比較,驗證結論｡
下面我們來看一段學生實際操作的視頻 (圖14)

圖14

5.【實驗數據處理】如圖15､16､17所示
(1)控制m､ω不變,探究F—r關系｡ (圖15)

圖15

 實驗結論:F與r成正比｡ 
(2)控制m､r不變,探究F—ω關系｡(圖16)

圖16 學生通過觀察F—ω圖像,發現是一條拋物線,于是猜想F與ω2有關系,于是制出F—ω2圖像｡(圖17) 圖17 實驗結論:F與ω2成正比｡

 (3)控制ω､r不變,探究F—m關系｡(圖18)

圖18 實驗結論:F與m成正比｡

6.【實驗結論】
——F與r､m､ω²成正比｡
通過控制變量法,學生得到了F-r､F-ω､F-ω²､F-m圖像｡我們發現,學生在實驗的過程中,利用簡單直觀的自制教具,收集分析數據,選擇合理變量,擬合圖像｡教師既讓學生感受到了“過程學習”的樂趣,又培養了學生自主探究,歸納總結的能力｡突破了本節課的難點,形成結論——F∝mrω²,寫成等式F=kmrω²
教師引導:k=?,能否用數據驗證?學生把實驗數據帶入實驗結論,比較測量值和計算值,發現2個值基本相等,即K=1,學生得出實驗結論F=mrω²｡(圖19)

圖19

教師再引導學生用向心加速度公式結合牛頓第二定律,從理論上也得到向心力的表達式｡
進一步驗證了實驗的正確性｡
本節課到此,可能有些同學會思考:角速度和向心力的讀數對嗎?因此我設計了一個課外實驗｡(學生課后會想到的驗證方法:彈簧秤去拉傳感器,對照兩個讀數是否一致｡角速度的測量利用秒表,使小球轉動30圈,根據公式驗證角速度的讀數是否正確,等等方法)
五､教學反思與自我評價
最后,我對這一節課做一個總結:層層遞進､環環相扣,實驗多變､方法多樣,數字信息､創新巧妙,實驗啟智,科學育人｡
 
 
徐翠香
單位名稱:廣西壯族自治區桂林市陽朔縣陽朔中學

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