创新物理实验，助力问题解决

【关键词】高中物理；创新物理实验；水平面内圆周运动；临界问题

【中图分类号】G633.7  【文献标志码】A  【文章编号】1005-6009（2023）50-0091-02

物理是一门以实验为基础的自然科学，实验在高中物理教学中有着举足轻重的地位。观察和实验可使学生对物理事实获得具体、明确的认识，使抽象的理论问题具体化、形象化，开阔学生的视野，提高学生学习物理的兴趣，帮助学生建立物理模型，解决物理问题。

下面笔者通过分析一个自制实验——探究水平面内圆周运动的临界问题演示仪，来谈谈如何通过创新物理实验提升学生物理问题解决能力。

一、问题分析

水平面内圆周运动的临界问题通常有两类，一类是与摩擦力有关的临界问题，一类是与弹力有关的临界问题。

与摩擦力有关的水平面内圆周运动的临界问题是个难点，因为静摩擦力的大小在0到最大静摩擦力之间，它会随着向心力的变化而变化。但这个具体的变化情况无法用眼睛去直接观察。与弹力有关的水平面内圆周运动的临界问题更是个难点，因为学生看不出随着向心力的增大绳上何时才会出现张力，出现张力后这个张力的大小又如何变化，此力也不方便用弹簧测力计去测。而通过力传感器就可以很好地解决此类问题，学生能够清楚地看到静摩擦力的变化情况以及绳上何时出现张力，以及出现张力后张力与角速度的变化关系。

二、实验装置制作

1.制作材料

一块平整的长、宽都为50cm左右的薄木板，材质相同的50 g钩码 3个、80 g钩码 1个，带钩子的小木块1个，遮光片1个，铁架台1个，力传感器和光电门传感器各1个，手摇皮带传动装置1台，胶带1卷。

2.实验装置的制作方法

（1）用锯子将水平木板锯成直径约50cm的圆形，安装在手摇皮带传动装置的转轴上，用铅笔和直尺在圆盘上画出过原点的两条直线。

（2）用钉子将力传感器固定在圆盘中心。

（3）用胶带把遮光片固定在圆盘的边缘，遮光片要凸出一点便于能遮住光电门发出的光。

（4）把光电门安装在铁架台上，使光电门靠近圆盘。当遮光片随圆盘转动到光电门处时，通过光电门记录遮光片的遮光时间，以此来计算圆盘转动的角速度。

最后制作出如图1所示的实验装置。

三、教具的用途

上述实验装置可以使水平面内圆周运动的相对滑动的临界问题具象化，便于学生理解掌握此类临界问题。本教具可模拟以下现象。

1.相对滑动与物体质量无关

将一个50g的钩码和一个80g的钩码放在圆盘上半径相同的圆周上，即保证两个钩码做圆周运动的半径和摩擦因数均相同。钩码在水平方向只受静摩擦力，故只由静摩擦力提供向心力，当需要的向心力大于最大静摩擦力时，钩码开始相对圆盘滑动。教师摇动手柄使圆盘转动的角速度逐渐增大，结果发现随圆盘转动角速度的增大，2个钩码同时相对圆盘滑动，即物体相对圆盘滑动时与物体的质量无关。

2.位置半径大的物体先相对圆盘滑动

把2个50g的钩码（2个钩码的材质相同）分别放在圆盘上半径不相同的地方，摇动手柄使圆盘转动的角速度逐渐增大，通过实验可以发现随圆盘转动角速度的增大，位置半径大的钩码先相对圆盘滑动。

3.摩擦因数小的物体先相对滑动

把2个50g的钩码（其中1个底部粘了橡胶皮）分别放在圆盘上半径相同的圆周上，即保证两个钩码做圆周运动的半径相同，摇动手柄使圆盘转动的角速度逐渐增大，能够发现随圆盘转动角速度的增大摩擦因数小的钩码先相对圆盘滑动。

4.张力与角速度之间关系验证

把小木块用细线系在力传感器上，连接传感器和电脑，在电脑里打开SWR数字化信息系统软件，设置好横轴和纵轴所代表的物理量：把力传感器测出的力作为纵轴，光电门传感器测出的角速度作为横轴。摇动手柄使圆盘转动的角速度逐渐增大。

实验结果显示“角速度—力”关系线最初的一段是水平的，说明此时细线上的张力为零，这表明当圆盘转动的角速度较小时，绳上未出现张力，靠静摩擦力提供小木块随圆盘转动的向心力。同时，当角速度增大到某一数值时绳上开始出现张力，出现张力后张力与角速度之间呈抛物线关系，满足表达式：T + [fm]=mr[ω2]。

上述实验装置取材容易、操作方便，让学生对水平面内圆周运动的临界问题由纸上谈兵变成亲身体验，能够帮助学生更为直观地了解水平面内圆周运动的临界问题。

在课堂的演示实验教学中，通过引导学生观察与分析实验现象，能够帮助学生更好地理解掌握物理知识。学生物理素养的提升需要高中物理教师对物理实验进行创新研究，给学生提供更多的实际操作体验，帮助学生解决问题，使得学生在实践中加强对物理知识的理解及内化。

（作者单位：江苏省江阴长泾中学）

特约编辑：孙士海 见习编辑：王一民