应用演示仪引导角速度概念的建立
薛勇琴 黄树清
摘? 要：笔者设计并制作了角速度演示仪，对高中物理《匀速圆周运动》这一章节的教学进行改进，利用该教具并结合三个问题，进行实验探究，让学生深刻体会角速度引入的必要性，培养学生实验探究的能力，并在实验探究过程中，让学生自然而然地建立角速度的概念。
关键词：匀速圆周运动;角速度;演示仪
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）12-0047-3
“匀速圆周运动”是中学物理教学中一个转折点，从匀速直线运动到匀变速直线运动，再到曲线运动。匀速圆周运动是最常见的一种曲线运动。在学习匀速圆周运动之后，学生描述物理过程将从单纯线量转入线量和角量同时。角量的引入可以让学生领悟角量的逻辑关系与线量基本一样，拓宽了学生的思维，同时角位移的引入可以帮助学生理解天体运动的追赶问题[1]。因此，在课堂中要重视“角速度”的教学。然而，现行教材中编排的不足，导致很多学生无法理解引入角速度的必要性。为了解决这一问题，笔者以教材中的齿轮转动模型为出发点进行设计与改进，最终制作出了角速度演示仪。利用教具让学生深刻体会角速度引入的必要性，促进概念的生成。
1? ? 现行教材编排中的不足
在鲁科版普通高中课程标准实验教科书，即《物理（必修2）》第四章《匀速圆周运动》的第一节《匀速圆周运动快慢的描述》中，对于匀速圆周运动快慢的描述分别是这样叙述的：
在线速度中：做匀速圆周运动的物体通过的弧长与所用时间的比值可以描述匀速圆周运动的快慢;
在角速度中的表述是：也可以用半径转过的角度与所用时间的比值来描述物体转动的快慢。
基于此，学生就会先入为主地认为：既然线速度与角速度这两个物理概念都是用来描述匀速圆周运动的快慢，那仅用线速度来描述就可以了，不需要从两个角度进行描述。
教材中为了节省篇幅，对角速度的引入进行了简化处理，只通过一张自行车齿轮转动模型图片来引入角速度。教材中的这种编排处理，学生无法体会到引入角速度的必要性。
2? ? 引发认知冲突，体会必要性
在学生学习了线速度相关知识之后，教师提出问题1：我们知道线速度可以描述匀速圆周运动的快慢，那仅用线速度能否描述物体转动的快慢？
学生对该问题进行思考与讨论，并提出自己的观点。学生的观点主要有：
学生观点1：可以的，根据刚刚自行车的现象，我们知道在相同时间内，通过的弧长越长，说明运动得越快。
学生观点2：不可以。因为刚刚的自行车实验比较特殊，它是有一定的前提条件的。
基于学生的观点，可以看出学生对于这个问题是存在疑惑的。教师可以鼓励学生大胆质疑，并引导学生可以用实验进行探究。本次实验运用自制教具角速度演示仪来演示。角速度演示仪是从教材中的齿轮模型出发，制作而来。如图1所示，该教具是用电机带动大圆盘匀速转动，大圆盘通过皮带带动小圆盘匀速转动，连接两圆盘的皮带不打滑。
教师进行实验操作并引导学生观察，在两圆盘边緣各取一点A、B，打开实验开关，转动圆盘一定时间之后关闭，实验现象如图2所示。学生通过观察两圆盘的转动情况，得出结论：小圆盘转动得比大圆盘快。紧接着教师用卷尺测量出A、B两点在刚才那段时间内通过的弧长，学生惊讶地发现A、B两点刚刚通过的弧长是相同的，这就说明A、B两点的线速度一样，但是观察得到的结果却是小圆盘转动得快，由此引发学生的认知冲突。学生经过思考，推理分析得到：对于转动快慢不同的物体，线速度大小也可能相等，所以仅用线速度无法准确描述物体转动的快慢。
在探究过程中，根据两次观察到的实验结果，引发学生的认知冲突，激发学生强烈的求知欲，调动学生的好奇心，让学生主动思考分析，体会引入新概念的必要性，提高了教学效果，增强了学生思维活动的自觉性和主动性。
3? ? 类比线速度，建立新概念
学生根据刚刚的实验探究发现原有的线速度不足以描述物体转动的快慢，为了解决该问题，需要引入一个新的物理量来描述物体转动的快慢。
教师紧接着提出问题2：类比线速度，是否能建立一个新的物理量？引导学生回顾线速度的引入：“先通过观察发现自行车同一辐条上两点在相同时间内绕轴心转过的角度一样，但通过的弧长不一样，之后将物体通过弧长与时间的比值定义为线速度。”
教师引导学生从中提炼出关键信息“相同时间绕轴心转过的角度一样”“通过的弧长不一样”，以此类比于先前实验探究观察到的现象，学生提出观点：刚刚的实验探究中两点相同时间通过的弧长一样，所以我们可以观察这两点绕轴心转过的角度之间存在着什么关系。
为了验证学生的观点，教师进行第二个实验探究，在实验装置上标出两圆盘的圆心O、O'，把O、O'分别与A、B连接起来，并重新打开开关。让圆盘转动一定时间之后关闭开关，实验现象如图3所示。
学生观察得到：在相同时间内，A、B两点通过的弧长相同，但是绕轴心转过的角度不一样，绕过的角度越大，转动得越快。
教师肯定学生观察的现象，并让学生类比于线速度的定义，构建出角速度的定义。
教师引导学生根据已有的学习经验来探究得到新的知识。类比迁移的学习过程培养了他们的探究能力，帮助学生快速找到新旧知识之间的联系，自然而然地建立角速度的概念，完善学生自身的知识系统，提高课堂的有效性。
4? ? 猜想与验证，探究二者关系
学生有了角速度与线速度的概念之后，教师让学生进行深入一步的思考，问题3：角速度与线速度之间存在什么关系吗？部分学生观察发现，在第一个实验中，当线速度一样的情况下，半径越小，角速度就越大。
教师追问：那反过来，当角速度一样的情况下，半径和线速度之间是否存在什么关系呢？
学生提出猜想：当角速度一样的情况下，半径越大，线速度越大。
为了验证学生的猜想，教师在实验装置上标出C点，并重新打开开关。让圆盘转动一定时间之后关闭开关，实验现象如图4所示。
学生观察分析出：对于两个圆盘边缘上的A、B两点，在线速度是一样的前提下，半径越小，角速度就越大;在同一圆盘上，其角速度大小相同，但是线速度大小却有所不同，而且半径越大，线速度大小也就越大。
在课堂中，教师应该鼓励学生大胆猜想，小心求证。在猜想和求证的过程中逐渐提升思维能力、培养创新思维。在探究过程中，积极思考，形成自己的观点，带着思考探究二者之间的关系，让学生在实验中感受科学方法与思想在科学探究中的作用。
5? ? 结束语
角速度演示仪可以较好地弥补现行教材中的不足，其演示的实验现象直观明显、操作方便，能够让学生自主探究，提高课堂的参与度。让学生在探究过程中，促进角速度概念的生成，从而提高课堂的教学效果，激发学生学习物理的兴趣。
参考文献：
[1]李闷心.重视概念建立? 发展核心素养——“匀速圆周运动快慢的描述”教学设计[J].物理教学，2017， 39（12）：46-49，69.
[2]张婷玉，陈清梅，邢红军.圆周运动的高端备课[J].首都师范大学学报（自然科学版），2015，36（03）：22-24.
[3]徐志阔.自制教具在高中物理演示实验中的应用探讨[J].中国教育技术装备，2019（17）：116-117.
（栏目编辑? ? 王柏庐）
