應(yīng)用演示儀引導(dǎo)角速度概念的建立

薛勇琴 黃樹(shù)清

摘? 要：筆者設(shè)計(jì)并制作了角速度演示儀，對(duì)高中物理《勻速圓周運(yùn)動(dòng)》這一章節(jié)的教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)，利用該教具并結(jié)合三個(gè)問(wèn)題，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生深刻體會(huì)角速度引入的必要性，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的能力，并在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，讓學(xué)生自然而然地建立角速度的概念。

關(guān)鍵詞：勻速圓周運(yùn)動(dòng);角速度;演示儀

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）12-0047-3

“勻速圓周運(yùn)動(dòng)”是中學(xué)物理教學(xué)中一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)到勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，再到曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。勻速圓周運(yùn)動(dòng)是最常見(jiàn)的一種曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。在學(xué)習(xí)勻速圓周運(yùn)動(dòng)之后，學(xué)生描述物理過(guò)程將從單純線(xiàn)量轉(zhuǎn)入線(xiàn)量和角量同時(shí)。角量的引入可以讓學(xué)生領(lǐng)悟角量的邏輯關(guān)系與線(xiàn)量基本一樣，拓寬了學(xué)生的思維，同時(shí)角位移的引入可以幫助學(xué)生理解天體運(yùn)動(dòng)的追趕問(wèn)題[1]。因此，在課堂中要重視“角速度”的教學(xué)。然而，現(xiàn)行教材中編排的不足，導(dǎo)致很多學(xué)生無(wú)法理解引入角速度的必要性。為了解決這一問(wèn)題，筆者以教材中的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)模型為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)，最終制作出了角速度演示儀。利用教具讓學(xué)生深刻體會(huì)角速度引入的必要性，促進(jìn)概念的生成。

1? ? 現(xiàn)行教材編排中的不足

在魯科版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)，即《物理（必修2）》第四章《勻速圓周運(yùn)動(dòng)》的第一節(jié)《勻速圓周運(yùn)動(dòng)快慢的描述》中，對(duì)于勻速圓周運(yùn)動(dòng)快慢的描述分別是這樣敘述的：

在線(xiàn)速度中：做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體通過(guò)的弧長(zhǎng)與所用時(shí)間的比值可以描述勻速圓周運(yùn)動(dòng)的快慢;

在角速度中的表述是：也可以用半徑轉(zhuǎn)過(guò)的角度與所用時(shí)間的比值來(lái)描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。

基于此，學(xué)生就會(huì)先入為主地認(rèn)為：既然線(xiàn)速度與角速度這兩個(gè)物理概念都是用來(lái)描述勻速圓周運(yùn)動(dòng)的快慢，那僅用線(xiàn)速度來(lái)描述就可以了，不需要從兩個(gè)角度進(jìn)行描述。

教材中為了節(jié)省篇幅，對(duì)角速度的引入進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，只通過(guò)一張自行車(chē)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)模型圖片來(lái)引入角速度。教材中的這種編排處理，學(xué)生無(wú)法體會(huì)到引入角速度的必要性。

2? ? 引發(fā)認(rèn)知沖突，體會(huì)必要性

在學(xué)生學(xué)習(xí)了線(xiàn)速度相關(guān)知識(shí)之后，教師提出問(wèn)題1：我們知道線(xiàn)速度可以描述勻速圓周運(yùn)動(dòng)的快慢，那僅用線(xiàn)速度能否描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢？

學(xué)生對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行思考與討論，并提出自己的觀點(diǎn)。學(xué)生的觀點(diǎn)主要有：

學(xué)生觀點(diǎn)1：可以的，根據(jù)剛剛自行車(chē)的現(xiàn)象，我們知道在相同時(shí)間內(nèi)，通過(guò)的弧長(zhǎng)越長(zhǎng)，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)得越快。

學(xué)生觀點(diǎn)2：不可以。因?yàn)閯倓偟淖孕熊?chē)實(shí)驗(yàn)比較特殊，它是有一定的前提條件的。

基于學(xué)生的觀點(diǎn)，可以看出學(xué)生對(duì)于這個(gè)問(wèn)題是存在疑惑的。教師可以鼓勵(lì)學(xué)生大膽質(zhì)疑，并引導(dǎo)學(xué)生可以用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究。本次實(shí)驗(yàn)運(yùn)用自制教具角速度演示儀來(lái)演示。角速度演示儀是從教材中的齒輪模型出發(fā)，制作而來(lái)。如圖1所示，該教具是用電機(jī)帶動(dòng)大圓盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，大圓盤(pán)通過(guò)皮帶帶動(dòng)小圓盤(pán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，連接兩圓盤(pán)的皮帶不打滑。

教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作并引導(dǎo)學(xué)生觀察，在兩圓盤(pán)邊緣各取一點(diǎn)A、B，打開(kāi)實(shí)驗(yàn)開(kāi)關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)一定時(shí)間之后關(guān)閉，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示。學(xué)生通過(guò)觀察兩圓盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，得出結(jié)論：小圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)得比大圓盤(pán)快。緊接著教師用卷尺測(cè)量出A、B兩點(diǎn)在剛才那段時(shí)間內(nèi)通過(guò)的弧長(zhǎng)，學(xué)生驚訝地發(fā)現(xiàn)A、B兩點(diǎn)剛剛通過(guò)的弧長(zhǎng)是相同的，這就說(shuō)明A、B兩點(diǎn)的線(xiàn)速度一樣，但是觀察得到的結(jié)果卻是小圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)得快，由此引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突。學(xué)生經(jīng)過(guò)思考，推理分析得到：對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)快慢不同的物體，線(xiàn)速度大小也可能相等，所以?xún)H用線(xiàn)速度無(wú)法準(zhǔn)確描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。

在探究過(guò)程中，根據(jù)兩次觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲，調(diào)動(dòng)學(xué)生的好奇心，讓學(xué)生主動(dòng)思考分析，體會(huì)引入新概念的必要性，提高了教學(xué)效果，增強(qiáng)了學(xué)生思維活動(dòng)的自覺(jué)性和主動(dòng)性。

3? ? 類(lèi)比線(xiàn)速度，建立新概念

學(xué)生根據(jù)剛剛的實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)原有的線(xiàn)速度不足以描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢，為了解決該問(wèn)題，需要引入一個(gè)新的物理量來(lái)描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。

教師緊接著提出問(wèn)題2：類(lèi)比線(xiàn)速度，是否能建立一個(gè)新的物理量？引導(dǎo)學(xué)生回顧線(xiàn)速度的引入：“先通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)自行車(chē)同一輻條上兩點(diǎn)在相同時(shí)間內(nèi)繞軸心轉(zhuǎn)過(guò)的角度一樣，但通過(guò)的弧長(zhǎng)不一樣，之后將物體通過(guò)弧長(zhǎng)與時(shí)間的比值定義為線(xiàn)速度。”

教師引導(dǎo)學(xué)生從中提煉出關(guān)鍵信息“相同時(shí)間繞軸心轉(zhuǎn)過(guò)的角度一樣”“通過(guò)的弧長(zhǎng)不一樣”，以此類(lèi)比于先前實(shí)驗(yàn)探究觀察到的現(xiàn)象，學(xué)生提出觀點(diǎn)：剛剛的實(shí)驗(yàn)探究中兩點(diǎn)相同時(shí)間通過(guò)的弧長(zhǎng)一樣，所以我們可以觀察這兩點(diǎn)繞軸心轉(zhuǎn)過(guò)的角度之間存在著什么關(guān)系。

為了驗(yàn)證學(xué)生的觀點(diǎn)，教師進(jìn)行第二個(gè)實(shí)驗(yàn)探究，在實(shí)驗(yàn)裝置上標(biāo)出兩圓盤(pán)的圓心O、O'，把O、O'分別與A、B連接起來(lái)，并重新打開(kāi)開(kāi)關(guān)。讓圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一定時(shí)間之后關(guān)閉開(kāi)關(guān)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3所示。

學(xué)生觀察得到：在相同時(shí)間內(nèi)，A、B兩點(diǎn)通過(guò)的弧長(zhǎng)相同，但是繞軸心轉(zhuǎn)過(guò)的角度不一樣，繞過(guò)的角度越大，轉(zhuǎn)動(dòng)得越快。

教師肯定學(xué)生觀察的現(xiàn)象，并讓學(xué)生類(lèi)比于線(xiàn)速度的定義，構(gòu)建出角速度的定義。

教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已有的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)來(lái)探究得到新的知識(shí)。類(lèi)比遷移的學(xué)習(xí)過(guò)程培養(yǎng)了他們的探究能力，幫助學(xué)生快速找到新舊知識(shí)之間的聯(lián)系，自然而然地建立角速度的概念，完善學(xué)生自身的知識(shí)系統(tǒng)，提高課堂的有效性。

4? ? 猜想與驗(yàn)證，探究二者關(guān)系

學(xué)生有了角速度與線(xiàn)速度的概念之后，教師讓學(xué)生進(jìn)行深入一步的思考，問(wèn)題3：角速度與線(xiàn)速度之間存在什么關(guān)系嗎？部分學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)線(xiàn)速度一樣的情況下，半徑越小，角速度就越大。

教師追問(wèn)：那反過(guò)來(lái)，當(dāng)角速度一樣的情況下，半徑和線(xiàn)速度之間是否存在什么關(guān)系呢？

學(xué)生提出猜想：當(dāng)角速度一樣的情況下，半徑越大，線(xiàn)速度越大。

為了驗(yàn)證學(xué)生的猜想，教師在實(shí)驗(yàn)裝置上標(biāo)出C點(diǎn)，并重新打開(kāi)開(kāi)關(guān)。讓圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一定時(shí)間之后關(guān)閉開(kāi)關(guān)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4所示。

學(xué)生觀察分析出：對(duì)于兩個(gè)圓盤(pán)邊緣上的A、B兩點(diǎn)，在線(xiàn)速度是一樣的前提下，半徑越小，角速度就越大;在同一圓盤(pán)上，其角速度大小相同，但是線(xiàn)速度大小卻有所不同，而且半徑越大，線(xiàn)速度大小也就越大。

在課堂中，教師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想，小心求證。在猜想和求證的過(guò)程中逐漸提升思維能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維。在探究過(guò)程中，積極思考，形成自己的觀點(diǎn)，帶著思考探究二者之間的關(guān)系，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感受科學(xué)方法與思想在科學(xué)探究中的作用。

5? ? 結(jié)束語(yǔ)

角速度演示儀可以較好地彌補(bǔ)現(xiàn)行教材中的不足，其演示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明顯、操作方便，能夠讓學(xué)生自主探究，提高課堂的參與度。讓學(xué)生在探究過(guò)程中，促進(jìn)角速度概念的生成，從而提高課堂的教學(xué)效果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]李?lèi)炐?重視概念建立? 發(fā)展核心素養(yǎng)——“勻速圓周運(yùn)動(dòng)快慢的描述”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)，2017， 39（12）：46-49，69.

[2]張婷玉，陳清梅，邢紅軍.圓周運(yùn)動(dòng)的高端備課[J].首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，36（03）：22-24.

[3]徐志闊.自制教具在高中物理演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用探討[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2019（17）：116-117.

（欄目編輯? ? 王柏廬）