圆周运动中几个问题的实验突破
项其杰
(江苏省太仓高级中学，江苏 太仓 215400)
(E-mail: xqj1922@qq.com)
摘要:学生在学习《生活中的圆周运动》时，往往难以理解轻绳和轻杆类竖直平面内圆周运动中小球的超失重问题、以及最高点的临界速度等问题。本文通过自制的实验器材，让学生进行了亲身的体验，然后再结合理论上的分析，从而有效地突破了学生在学习中遇到的问题。
关键词:圆周运动 实验突破 轻绳和轻杆 临界速度
《生活中的圆周运动》这节课是在学生学习了圆周运动、向心加速度、向心力等知识之后的一节实际应用课，教材中提供了火车拐弯、汽车过拱桥、洗衣机脱水、汽车转弯等实例，
内容
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非常的丰富，每个例子的选择也都各有特点，教材力图通过研究圆周运动的规律在生活中的具体应用，从而达到使学生加深理解相关知识的目的。
然而，在实际教学过程中，笔者却发现对于轻绳、轻杆类的竖直平面内圆周运动中的一些问题，比如说小球下摆过程中是处于超重还是失重状态、小球通过最高点的临界速度是多少等等这些问题，虽然通过理论分析后学生似乎也能理解，但是由于学生缺乏亲身的体验，因而理论分析的结果并不能在他们的脑海中留下很深刻的印象，甚至有些学生会在内心深处对理论分析的结果有所抵触。针对这一情况，笔者设计了几个学生分组实验(两人一组)，让学生进行亲身的体验活动，再结合理论分析，从而使学生加深了对这类问题的认识，取得了比较好的教学效果。
一、实验器材准备:
为每个小组提供一个直径约为4cm、且具有一定质量的橡胶小球，事先在球的中心穿一个小孔;另外，为每个小组再准备长约50cm的尼龙细线、橡皮绳、以及长约25cm的自行车钢丝各一根。
如图1所示，将钢丝上不带螺帽的一端弯折成一个直径2.5cm左右的圆环，实验时需要将圆环套在手指上。将钢丝的另一端穿过橡胶球，由于钢丝的这一端带有螺纹，所以在穿过小球后可以随即把螺帽旋紧，这样能有效地防止小球在做圆周运动的过程中由于被甩得太快而可能图1 导致脱落。
二、学生体验活动:
学生体验活动1、体验小球下摆过程中处于超重还是失重状态
如图2所示，将弯折好的圆环套在右手食指上，首先让钢丝保持竖
直，且小球处于静止状态，注意感受此时食指所受的拉力大小;接着再
将小球所在一端抬高一段距离然后由静止开始释放，如图3所示，在小
球下摆的过程中再次感受食指所受的拉力大小。教学过程中教师一定要
要注意提醒学生在操作过程中仔细比较第二次手指所感受到的拉力与
第一次手指所感受到的拉力的大小。 图2 图3
通过先后两次操作，同学们都一致认为第二次食指所受的拉力要大
一些，这充分说明了小球在此过程中应处于超重状态。另外，为了让手指的感觉更加明显，可提醒学生将圆环套在靠近食指指尖的地方，不宜太靠后，同时可将小球抬至水平位置后再释放，通过增加释放的初始高度，这样能够使学生更容易感受得出拉力的变化;倘若将钢丝取下，换成橡皮绳，依照刚才的操作，实验的效果会更好:这时只要通过比较小球两次通过最低点的位置(对应着橡皮绳伸长量的大小)就能知道小球到底处于什么状态——伸长量变大了，说明小球处于超重状态，反之小球则处于失重状态。在整个活动过程中，学生的眼、手、脑都被充分地调动了起来，学生的学习兴趣非常高，最后再结合牛顿第二定律进行理论分析，学生对该知识的掌握程度就更好了。
学生体验活动2、体验轻绳类竖直平面内的圆周运动中最高点的临界速度是否为零
此活动需将活动1中所用的钢丝取下来，而改用尼龙细线来系住橡胶小球。实验过程中先抓住细线自由端，让小球在竖直平面内以较快的速度做完整的圆周运动，接着逐渐减慢小球的线速度，直至小球刚好无法沿圆轨道运行，此时细线将会处于松弛状态，一定要提醒学生注意观察小球此时的速度大小(当然这里只需要定性观察速度是否为零即可)。在实验过程中可能有些学生不能一次就做成功，教师要注意留给他们适当充分的操作时间。
对于轻绳类竖直平面内圆周运动中最高点的临界速度问题，其实很多学生在主观上往往都会以为是零。通过这个学生体验活动，同学们会发现这个临界速度是一个明显不等于零的数值，这样就在学生大脑中形成了强烈的认知冲突。此时教师再提出进行理论分析，可根据小球在最高点由绳子拉力和重力的合力
2v，,mgTm充当向心力，应用牛顿第二定律列出方程，由该方程可得:当时细线会被拉紧，v,gll
当时细线的拉力为零，当时细线会处于松弛状态。这样的分析结果，对学生来说就更容v,glv,gl
易理解，也更加愿意去接受了。
学生体验活动3、体验轻杆类竖直平面内的圆周运动中最高点的临界速度是否为零
此活动仍然采用活动1中所用的器材，操作过程与活动2中类似，实验时将圆环套在右手食指上，同
样先让小球在竖直平面内以较快的速度做完整的圆周运动，接着逐渐减慢小球的线速度，直至小球刚好能通过最高点。当然教师同样要注意多给学生充分的操作时间，并提醒他们注意观察小球刚好能通过最高点时的线速度大小。
在活动2中所做理论分析的基础上不难得到:在活动3中，由于轻杆可以对小球提供向上的支持力，故而小球在最高点所需的向心力可以为零，所以这时的临界速度也应该为零。在活动3的实验操作过程中，我们的学生也许不容易控制到小球到达最高点时速度刚好为零(这里可由老师来示范)，但是很多组同学都能够明显做到让这个速度与零非常非常的接近，这样明显的实验现象已经足以让我们的学生相信理论分析所得结论的正确性了。
三、个人教学体会:
“听过，忘记了;看过，记住了;做过，理解了”，这生动地体现了学生的亲身体验活动在教学活动中的重要性。然而，在传统的教学模式中，我们总是过多地去强调概念、判断、结果的掌握，总是十分重视理论的推导，但却忽视了学生的个体情感、体验、探究、领悟等活动过程; 新的课程
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则非常强调要通过改变学生学习内容的呈现方式，确立学生学习的主体地位，促使学生积极主动地去学习。而课堂又是我们教师开展教学活动的主阵地，所以，我们现在的课堂教学应该需要一种探究性、体验性的学习，这是完全符合我们物理学科的特点的。通过探究、体验活动，可以使学生学习的主体地位得到确立，同时这样也大大丰富了我们课堂教学的内容，能够有效地让我们的学生更好地理解所学的知识。
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