传统实验与DIS实验的有效整合——《向心力》教学设计，本文主要内容关键词为：向心力论文,教学设计论文,传统论文,DIS论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
DISLab是数字化信息系统实验室的简称，是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的全新实验系统。DISLab具有数据自动采集和智能化处理的强大实验功能，但是，DISLab实验所有的测量工作都是由传感器完成，学生刚开始接触的时候，会有无从下手的感觉。因此，有必要让DISLab与传统实验有效整合，发挥各自优势，使教学效果达到最优化。
一、教学目标
了解向心力和向心加速度的概念。知道向心力的大小与哪些因素有关。理解向心力和向心加速度的公式。能运用向心力和向心加速度的公式解答简单的有关问题。初步学会利用传感器等现代化手段研究物理规律。
根据平时的生活体验，可以猜测向心力的大小与物体的质量、圆周运动的半径、圆周运动的角速度有关。我们的猜想是否正确呢?能否用实验来检验一下呢?先请思考：
a.向心力可能与这么多因素有关，怎么研究?说说实验方法。
b.实验中如何控制变量?需观察、记录什么?
请同学们讨论实验步骤，列表如下：
二、使用向心力演示仪验证
(1)如图1，将皮带安装在大小相同的两个塔轮上，保证两个小球的ω相同；将一个铁球放在左侧的槽内，将一个铝球放在右侧的短槽内，保证两个小球的运动半径r相同，而铁球的质量大于铝球，转动摇柄使两个轮转起来，这时会明显得看到，放铁球那侧的弹簧被压缩得厉害，露出的内杆的长度要大于放铝球那侧，可见在保持ω和r不变的前提下物体质量越大，向心力也就越大。
图1 向心力演示仪
(2)仍将皮带安装在大小相同的两个塔轮上，保证两个小球的ω相同；将铁球放入左侧槽内，将质量相同的另一个铁球放入右侧长槽内，右侧长槽的转动半径是左侧短槽转动半径的两倍，转动摇柄，会看到右侧的弹簧被压缩得厉害，露出内杆的长度是左侧的两倍，可见在保持m和ω不变的前提下，圆周运动半径越大，向心力越大，准确些的说法，向心力F与r成正比。
(3)将左侧塔轮上的皮带往下移，移到更小的塔轮上，则左侧的ω要大于右侧的ω，将那两个质量相同的小球都放入短槽内，以保证m和r不变，转动摇柄，则看到左侧弹簧被压缩得厉害，露出内杆的长度比右侧要长很多。可见在保持m和r不变的前提下，ω越大，则向心力也越大。
三、使用DISLab向心力实验器
DISLab向心力实验器（如图2所示）通过力传感器测量向心力，角速度通过光电门进行测量，将传感器得到的实验数据传输给电脑，并将这些实验数据呈现在F-ω坐标系中。
图2 DISLab向心力实验器
(1)调节做圆周运动物体的砝码的运动半径是12厘米，选择其质量是28克，开始测量。得到一组数据，选取X轴为“ω”，Y轴为“
”，得到数据点在坐标系内的分布图，数据点的分布具有抛物线特征，使用软件中的“二次多项式”拟合，发现数据点与拟合线基本重合，可见向心力的大小与角速度的平方成正比。
也可以使用这种数据处理方法，在数据表格中，输入计算角速度的平方公式
，选取X轴为“q”，Y轴为“”，得到数据点在坐标系内的分布图，进行线性拟合，拟合图线为过原点的直线，如图3所示，同样证明了向心力与角速度之间是二次方关系。
图3 
的线型拟和图线
(2)调节做圆周运动物体的砝码的运动半径是6厘米，选择其质量仍是28克，开始测量。得到图中第二组数据，同样将这些数据呈现在F-ω坐标系中，将半径是12厘米和半径是6厘米的两张F-ω图放在一起，得到图4，那么我们怎样控制m、ω，得到向心力和半径的关系呢?可以做一条与X轴垂直的辅助线，该辅助线与两条实验数据曲线有两个交点，这两个交点正是质量和角速度相同的实验数据点，其半径分别是12厘米和6厘米，对应的向心力大小是2：1的关系。可见，向心力的大小与半径成正比。
图4 半径不同的F-ω圆图线
(3)调节做圆周运动物体的砝码的运动半径为12厘米，选择其质量是14克，开始测量，得到另一组数据，把这些数据呈现在F-ω坐标系中。将圆周运动半径是12厘米，砝码质量是28克的那张F-ω图也放进来，得到图5。我们做一条与横坐标垂直的辅助线，控制r、ω不变，该辅助线与两条实验数据曲线也有两个交点，这两个交点正是半径和角速度相同的实验数据点，其质量分别是28克和14克，对应的向心力大小是2∶1的关系。可见，向心力的大小与质量成正比。
图5 质量不同的F-ω图线
四、小结
通过传统和现代的两种实验方法，我们看到这两种实验方法各有利弊。传统实验方法的优点在于实验现象很直观，物理意义体显得比较充分，学生容易接受；它的缺点就是不能够定量研究物理量之间的关系。现代实验方法的优点在于能够准确地描述物理量之间定量的关系，充分体现了现代技术准确性高的特点；缺点就是给学生动手的机会少，所有的测量工作都是由传感器完成；学生刚开始接触的时候，会有无从下手的感觉。二者结合，让学生从对物理问题的定性了解后上升到定量研究，从对问题的感性认识上升到理性认识，对所研究的问题有更加深入的了解。