魯 斌

(浙江省余姚中學(xué)，浙江 寧波 315400)

在“曲線運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)為質(zhì)點(diǎn)沿曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向、物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件。筆者以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)為依托，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，從特殊到一般，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，呈現(xiàn)物理情境，引領(lǐng)學(xué)生建構(gòu)物理模型，提高他們的科學(xué)思維。

1 曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向

1.1 一個(gè)質(zhì)點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)

(1) 將壘球用細(xì)線懸掛，牽引細(xì)線，使壘球在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生觀察壘球運(yùn)動(dòng)軌跡以及速度方向。

(2) 利用科學(xué)玩具——直升機(jī)模型(圖1)，進(jìn)行飛行演示，觀察扇葉邊緣質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡以及速度方向。

圖1

(3)觀察圖片，在磨砂輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中鐵屑飛出的方向(圖2)。

圖2

結(jié)論1：某一質(zhì)點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度方向沿著圓周在該點(diǎn)的切線方向。

1.2 大量做圓周運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)的速度方向

演示所需材料為：電光花、小電機(jī)、轉(zhuǎn)盤、電池。

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

圖3

如圖4所示，將演示材料進(jìn)行組合，將電光花均勻繞在轉(zhuǎn)盤上。點(diǎn)燃電光花，打開開關(guān)，電機(jī)帶動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)的物體，它們每一點(diǎn)的速度方向都沿著圓周在該點(diǎn)的切線方向。

1.3 任意軌道實(shí)驗(yàn)：從特殊到一般

演示所需材料為：鼠標(biāo)球、水寫布、木板、泡沫板、強(qiáng)磁鐵，組成的實(shí)驗(yàn)儀器如圖6所示。

圖6

(1) 在平板上留下1號(hào)板2號(hào)板，讓鼠標(biāo)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(biāo)球沿著切線方向脫離軌道。

圖7

(2) 在平板上留下1到4號(hào)板，重復(fù)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(biāo)球仍沿著切線方向脫離軌道。

圖8

結(jié)論3：質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的速度，沿曲線在該點(diǎn)的切線方向。

1.4 利用《幾何畫板》進(jìn)行理論推導(dǎo)

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

圖9

結(jié)論4：從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面，我們都能得出結(jié)論：質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的速度方向，沿曲線在該點(diǎn)的切線方向。

1.5 通過“鏈球”實(shí)驗(yàn)應(yīng)用知識(shí)

(1) 觀看投擲鏈球視頻。

(2) 模擬鏈球?qū)嶒?yàn)。

將鼠標(biāo)球蘸水后放入圓筒內(nèi)，并給球一個(gè)初速度。這樣，鼠標(biāo)球就沿著筒壁做圓周運(yùn)動(dòng)。在適當(dāng)時(shí)刻，將圓筒拿開，小球便沿著圓周的切線方向運(yùn)動(dòng)(圖10)。

圖10 模

(3) 設(shè)計(jì)“護(hù)籠”的形狀

教師提問：場(chǎng)地四周為何要設(shè)“U”型護(hù)籠？

利用課件展示鏈球從A、B、C三點(diǎn)飛出的速度方向與軌跡(圖11)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“護(hù)籠”范圍的設(shè)計(jì)，最后給出整體設(shè)計(jì)方案。

圖11

2 做曲線運(yùn)動(dòng)的條件的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 曲線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)

(1) 教師提問：曲線運(yùn)動(dòng)是變速運(yùn)動(dòng)嗎？

(2) 理論分析：曲線運(yùn)動(dòng)→變速運(yùn)動(dòng)→有加速度→一定受力(圖12)。

圖12

2.2 分析曲線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

(1) 讓兩位同學(xué)上臺(tái)投擲飛鏢，觀察飛鏢的運(yùn)動(dòng)徑跡。

(2) 播放投擲飛鏢視頻的慢鏡頭(圖13)，讓學(xué)生仔細(xì)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(yùn)動(dòng)的物體，其所受外力與速度方向不在同一直線上。

2.3 實(shí)驗(yàn)演示，加深理解

讓鼠標(biāo)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(biāo)球自然滾下，它沿直線運(yùn)動(dòng)(圖14a)。

圖14

(2) 當(dāng)鼠標(biāo)球所受力方向與速度方向一致時(shí)，它仍沿直線運(yùn)動(dòng)(圖14b)。

(3) 當(dāng)鼠標(biāo)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(yùn)動(dòng)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?yàn)楹贤饬Ψ较颉?/p>

2.4 演示任意軌道實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行驗(yàn)證、拓展

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

(2) 依次撤去2號(hào)板、4號(hào)板、5號(hào)板，觀察鼠標(biāo)球是否能做完整的曲線運(yùn)動(dòng)？通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：留下的板可以保證鼠標(biāo)球做曲線運(yùn)動(dòng)。

圖15

2.5 聯(lián)系實(shí)際，綜合運(yùn)用

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

3 實(shí)驗(yàn)說明

電光花的燃燒時(shí)間一般是18 s，應(yīng)在這段時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。在繞制電光花時(shí)，應(yīng)注意盡量不要讓其碎裂脫落，否則燃燒會(huì)中斷。

任意軌道實(shí)驗(yàn)有許多設(shè)計(jì)方案，筆者利用水寫布、鼠標(biāo)球、泡沫板的組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。水寫布遇水變黑，水蒸發(fā)后恢復(fù)白色，干凈衛(wèi)生。鼠標(biāo)球相較于小鋼球的優(yōu)勢(shì)在于吸水性好，體積大，可以留下較長(zhǎng)的徑跡。泡沫板可以用電熱切割機(jī)進(jìn)行切割、制作，相較于軟管道的優(yōu)勢(shì)在于可以任意組合。

在探究物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件實(shí)驗(yàn)中，四個(gè)步驟的實(shí)驗(yàn)過程缺一不可，特別是通過對(duì)不放磁鐵和受力方向與速度方向一致兩個(gè)過程的探究，對(duì)物體做直線運(yùn)動(dòng)的條件進(jìn)行了有效的復(fù)習(xí)。