江涛　吴春梅

摘 要：创新设计向心力实验教具，创设向心力的物理情境，定性和定量探究向心力规律，从而有效培养学生的物理核心素养。

关键词：向心力实验组合仪;教具设计;演示实验;探究实验;核心素养

一、引言

2016年，“中国学生核心素养”总体框架发布并引领我国基础教育的改革。2017年，教育部公布《普通高中物理课程标准》并指出：物理学科核心素养包括“物理观念”“科学思维”“实验探究”和“科学态度与责任” [1]。通过培养学生物理核心素养，让学生具有创新意识和创新能力，“创新”是物理核心素养的根本目的[2]。基于创新实验的物理教学，是促进学生形成物理核心素养的一条有效途径[3]。

粤教版高中物理必修2中“向心力”的教材编纂对向心力规律的探究只是定性的，缺乏实验数据的支撑，学生只能被动接受。因此，通过创新实验，教师引导学生通过实验数据得出向心力公式，正确理解向心力的本质特征，才能有助于培养学生的物理核心素养。

二、“向心力”创新实验设计与自制教具

向心力探究仪。粤教版高中物理必修2关于“向心力”的教材内容对向心力规律的安排缺乏探究发现的过程，如能通过实验数据探究基于传感技术的数字化信息实验系统（DIS），由于便捷和直观，在中学物理教学中（尤其是城市）已经开始普及，并成为中学物理教学的主要实验手段。向心力探究仪将引进传感技术，由圆周运动系统和测量分析系统组成。

依据要求，向心力探究仪将垂直等臂杠杆固定于水平旋转轨道中心轴，水平方向通过细铁棒与小球连接，竖直方向与“8”字环、细铁棒和传感器连接。垂直等臂杠杆将水平方向的力转化为竖直方向的力， “8”字环避免细铁棒发生扭转。水平旋转轨道中心轴与步进电机的中心轴套在一个共轴连接器上。

三、向心力实验组合仪的教学应用与效果

（一）向心力演示器的教学应用

向心力演示器用于向心力的新课引入中，展示并引导学生观察向心力、推测向心力大小的影响因素。

1.向心力的实验演示。摇动演示器的空心圆管使小球做圆周运动，增大转动速度至水瓶被提起，设问是什么力拉起水瓶？对小球、绳子、水瓶组成的系统进行受力分析，建立向心力概念。

2.探究向心力大小的影响因素。增大小球转动速度（或转动半径），水瓶上升，說明水瓶受到拉力增大（即向心力增加），即运动半径和转速的改变使得向心力大小发生了变化，由此猜想向心力的大小可能与物体的运动半径以及转速有关。改变转动物体的质量和形状，可探究向心力大小跟物体的质量和形状的关系。

（二）向心力探究仪的教学应用

向心力探究仪应用于向心力的规律探究教学，实验采用控制变量法，保持两个量不变，改变其中一个量，测量向心力与变量的关系，实验设计如表2所示：

进行不同的实验，并依据实验的数据结果填写上表。实验过程如下所述：

1.不同半径下的向心力。在教学中，应用向心力探究仪，保持和，角速度不变，改变小球位置测量小球在不同半径下的向心力大小， 记录数据。

2.不同转速下的向心力。保持质量和半径不变，通过步进电机显示屏调节步进电机的转速，测量小球在不同转速下的向心力大小，记录数据。

3.不同质量下的向心力。保持电机转速和半径不变，更换不同质量的小球，改变小球质量测量向心力大小，记录数据。

综合1-3的实验结果，可以得出以下结论：匀速圆周运动物体的向心力与质量三者之间，做匀速圆周运动的物体，其向心力大小等于物体的质量、运动半径以及角速度的平方的乘积;做匀速圆周运动的物体，其向心力大小等于物体的质量、线速度的平方以及半径倒数的乘积，同时也等于与转速的平方以及半径的倒数的乘积。

（三）向心力实验组合仪的教学效果

1.利用多感官体验，充分展示物理现象形成物理观念。利用向心力演示器创设物理情境，展示物理现象，从视觉上让学生看到向心力的作用效果及影响因素;利用向心力笔作为课堂的学生实验，让学生从体感上感受到向心力及其影响因素。 两个教具分别从视觉和感官上展示同一物理现象，一方面向心力演示器进行演示实验有利于让学生集中注意力，激发学生的学习好奇心;另一方面向心力的实验探究有利于培养学生动手能力，激发学生探究欲，两者并用能综合两者的教学优势。

2.利用3D打印技术，实现教具的精细加工和实验稳定性。制作水平旋转轨道转轴和步进电机转轴之间的联轴器，是制作向心力探究仪的关键技术之一。制作之初，我们采用传统工艺加工木质联轴器，经测试后发现很难实现水平旋转轨道和步进电机共轴，测量数据不稳定，也不理想。后来请教我系大学生创新创业实验室的同学，借用他们的3D打印机，设计加工联轴器，终于获得稳定的实验效果和理想的实验数据。

3.引进传感技术和图像分析工具，实现物理规律的定量探究。在探究向心力规律的实验中，利用传感技术实现数据自动采集与存储，利用计算机的计算功能和图像分析工具，进行数据计算、描绘数据图线、绘制和拟合图线，将现代科学技术应用到教学中，提供便捷之处。对于物理教学课堂而言，适当弱化数学计算，强化物理实验、物理图像、物理规律的探究，对落实物理学科的核心素养是必要的。

四、结语

经过向心力实验装置的研制，笔者深切体会自制教具过程的艰辛与不易，一方面制作教具需耗费大量的时间、精力，另一方面购买教具所需材料也构成不小的经济压力。但是，设计制作教具有利于展示物理现象、探究物理规律、培养物理思维、有利于物理课堂教学，制作学生核心素养的物理实验教具，既是课程标准的要求，更是时代的要求。所以“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。

参考文献

[1]谷春生.设计创新实验培养核心素养[J].物理教学探讨，2017，35（10）：62-63.

[2]冯容士，李鼎.DIS无线向心力实验器[J].物理教学，2012，34（03）：23-27+38.

[3]黄丹青，吴玲敏，杨婉华，李德安.改进型向心力探究仪[J].物理通报，2016（11）：93-95.