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应用创新实验攻克圆周运动的知识难点

发表时间：2020/9/8 来源：《教学与研究》2020年8月下作者：钟树洪

[导读] 学生在学习圆周运动时，总会因为缺乏实际运动亲身体验，根据自己头脑中原有的前概念出现错误的分析和判断，本文主要讲述笔者在多年的教学过程中，通过设计一些创新实验帮助学生更好的理解和学习圆周运动的知识和规律。

广东省佛山市顺德区李兆基中学钟树洪 528300

摘要：学生在学习圆周运动时，总会因为缺乏实际运动亲身体验，根据自己头脑中原有的前概念出现错误的分析和判断，本文主要讲述笔者在多年的教学过程中，通过设计一些创新实验帮助学生更好的理解和学习圆周运动的知识和规律。
关键词：圆周运动、创新实验设计、运动规律。
        引言：匀速圆周运动是高中物理学习的重要运动规律，掌握好匀速圆周运动规律是进一步学习《万有引力定律》的重要基础。圆周运动是生活中常见的运动，但圆周规律有其特殊性，与直线运动有明显的区别。本文探讨在新课教学中利用创新实验让学生更加深刻理解掌握圆周运动规律及其与直线运动的本质区别。
        一、帮助引入向心力概念、理解向心力来源问题
        在学习完向心力的概念后，有部分同学就是会在分析物体受力时，想当然地把向心力拉入其中。完全不顾老师一再强调向心力是效果力，不是性质力。然而什么是效果力、什么是性质力，又需要解释很久。主要的原因是向心力这个概念的太形象，在生活中圆周运动很容易谈论到、体验到。但是高中物理的学习是要求学生分析掌握物理现象中的本质规律，属于高阶思维。老师通过各种常见的圆周运动现象,引导学生分析其表象下的受力特点是本章学习的重点。培养透过现象看本质的能力是物理这门课程的重要目标。我们在教学中讲授向心力来源这部分时，一般分为5类,第一弹力提供向心力，第二摩擦力提供向心力，第三、重力提供向心力，第四、合力提供向心力,第五、分力提供向心力。下面是笔者尝试设计的几个实验，帮助学生理解向心力的来源和本质。
　　    创新实验一：橡皮筋拉着小铁球在光滑的桌面上做圆周运动。
　　    问题1：什么力使小球做圆周运动？
　　    学生：橡皮筋拉力。
　　    问题2：怎么证明？
　　    老师：橡皮筋绷紧前，小球做什么运动？为什么？橡皮筋绷紧后，小球做圆周运动，受什么力的作用？剪断橡皮筋，再看小球运动情况？
　　    学生做实验并总结：橡皮筋剪断后，小球会飞出去。说明是橡皮筋拉力使得小球做圆周运动。
　　    问题3：绳子拉力方向有什么特点？
　　    学生：沿橡皮筋指向收缩的方向，即指向圆心。
　　    老师总结：做圆周运动的物体一定受到一个始终指向圆心的外力的作用，根据这个力产生的作用效果，我们把它称为向心力。
　　    老师：不同的情景中向心力是由不同的力来提供的，在具体的情景中怎么判断是什么力在充当向心力呢？
　　　创新实验二：在一面粗糙，另一面光滑的转盘上放一个小物块，当转盘转动时，小物块随着圆盘做圆周运动。学生动手实验，观察并思考什么力提供小物块做圆周运动所需要的向心力？
        学生：物块受到重力、支持力和静摩擦力的作用，重力和支持力平衡，应该是静摩擦力提供向心力。
        老师：怎样证明是摩擦力提供向心力？
        学生：把物块放在转盘光滑的一面重做实验，
        实验发现：转速增大后，物块在转盘上向外滑最终从边缘滑出。从而证明粗糙平面上摩擦力够大足够提供圆周运动的向心力。
　　    创新实验三：游乐场中的空中飞椅的运动可以简化为绳拉着小球做圆锥摆运动。

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（用铁架台挂细绳铁球演示）
　　    问题1：研究对象小球受哪些力的作用？什么力在充当向心力？
        学生：拉力，拉力和重力，拉力和重力的合力，…………
        老师提示：任务情景中，人和座椅不转的时候，重力与绳中拉力在一条直线上，满足二力平衡；当转动起来以后，人与座椅在水平面内做匀速圆周运动，重力和拉力的合力指向哪里？竖直方向有没有合力？
        学生：物体竖直方向静止，合力应该为零。总的合外力应该指向水平方向。
        所以应该是拉力和重力合力提供向心力。
　　    学生总结：首先对研究对象进行受力分析，再结合向心力的特点是始终指向圆心，那么指向圆心方向的合力就充当物体做圆周运动的向心力。这个力可能是某个力（如实验一中绳子拉力）、几个力的合力（如情景二中重力与拉力的合力）或者某个力的分力（如情景二中绳中拉力的分力）。
　　    二、帮助理解最高点速度大小的问题
        物体做圆周运动到最高点时为什么掉下来，这是大部分同学最好奇的点。我们利用这个好奇点设计实验，帮助学生理解最高点的速度问题。
        创新实验一、水流星表演
        1、把矿泉水瓶剪掉一半，用三条细绳拴住后打结，往瓶子里装一些水。请几位同学上讲台表演水流星，其他学生仔细观察思考。
        2、用水桶代替矿泉水瓶。在水桶中装少许水，让学生抡起水桶在竖直面内做圆周运动，仔细观察水桶中的水是否会洒出。
        老师：瓶中（桶中）的水有没有流出，表演时在最高点水没有流出来的同学是怎么做到的？
        学生：转速慢的水会撒出了，转速快的水不会流出来。
        老师：为什么？速度要达到多少水就恰好不流出？
        创新实验二：模拟过山车
        让几位学生上台操作实验：小球从斜坡上滑下，经过圆周轨道做圆周运动后沿斜坡上滑到指定位置。
        学生观察思考：从斜坡哪些位置下滑，小球可以通过圆周轨道的最高点做完整的圆周运动？小球通过最高的速度是否为零？
        学生总结：实验一,使在最高点水不洒出来，速度必须大于某一个定值。实验二,小球在斜坡上某一固定位置上方释放，才能够通过圆周轨道的最高点做完整的圆周运动。小球和水在最高点的速度都不能为零，要大于某一个定值。
        老师：这个定值是多少，根据我们学习过知识我们来思考分析。
        物体在最高点会受到哪些作用力？
        学生：重力，弹力、摩擦力……
        老师：物体在圆周轨道最高恰好不脱离轨道的条件相当于刚好要脱离轨道，此时没有弹力，没有弹力也就没有摩擦力。所以只有重力提供向心力。根据牛顿第二定律，只有重力提供向心力，得： .此为临界速度。
       创新实验设计合理，可以帮助学生理解物理知识，构建物理知识和规律与生产生活实际的桥梁。让学生体会到物理是有用、物理是有趣的。
参考文献：
1.姜才文《圆周运动向心力的来源分类》《知识窗》教师版 2016年10期
2.许梅艳天津市耀华中学《<第六章圆周运动>学习活动设计二：通过身边的小实验体会圆周运动向心力的来源》