10对“离心类”科学玩具课程化的研究.doc

对“离心类科学玩具”课程化的研究科学玩具的物理教育功能的研究与开发系列七浙江省义乌中学 季 倬（322000）图一目前流行的玩具，有不少涉及物理力学中曲线运动离心力的知识，大型游乐器械如迪斯科转盘、旋转飞椅、过山车，传统玩具如莲花盛开（如图一）、小鸡出壳，电动玩具如跳跳球、击发式陀螺，还有集健身和娱乐于一体的呼啦圈等等，这些玩具为中学物理圆周运动规律的教学提供了丰富了教学素材，也为提高学生学习兴趣、提升学生科学素养与技术素养提供了良好载体。图二大型游乐器械迪斯科转盘又名大家颤，太空迪斯科，如图二，迪斯科转盘是陀螺类高速回转大型游乐设备，能翻滚、转动，做十多种运动。圆盘运行时如大海波涛颠簸起伏，又如太空飞碟，时快时慢，变化无穷。体验者在大圆盘上的沙发上围坐成一周，伴随富有节奏感的音乐，身体随着圆盘运动，在强离心力作用下，高速旋转翻飞，仿佛被推入超越时空的天体，翻江倒海、天旋地转，惊心动魄的刺激，风驰电掣的快感，令人回味无穷。图三呼啦圈又称健身圈，如图三。20世纪50年代开始流行于欧美、澳日等国，由于其轻便美观，练习活动占地不大，很快成为一项老少皆宜的健身娱乐项目。呼拉圈由塑料或橡胶制成，其规格、重量没有严格的规定，练习者可根据自己的需要选择，练习者通过四肢或身体其他部位绕环运动，使呼拉圈绕身体旋转。呼啦圈绕身体某一部位旋转的时间越长，或一人同时旋转的呼啦圈的数量越多，则表明其水平越高。熟练者能获得腰腹肌肉、臀部肌肉、腿部肌肉较好的运动与发展，能有效提高人体腰、髋、膝关节的灵活性、柔韧性。电池马达开关中心轴传动齿轮图四跳跳球，如图四。它的左右半球是由塑料制成的薄壳球体，球体表面有按一定规律分布的弹性橡胶支脚，内有靠电池驱动的马达和固定的中心轴，马达转动通过齿轮的带动，通过力的相互作用使马达本身携同整个内部零件绕着中心轴做圆周运动。马达安装在离中心轴最远的地方，其圆周运动产生离心力，配合球体上的弹性支脚，可产生旋转、抖动、跳跃和爬行等不规则运动，玩具造型新奇可爱，声光刺激集于一身，运动形态随机变化，如同一个有生命的精灵，让小朋友喜爱不已。 对于这一类玩具的物理教育功能的研究，我们从以下四个方面入手。一、激发学习兴趣，优化教学设计。许多玩具是由物理原理设计而成的，能呈现物理现象，显现物理规律，其鲜艳的色彩、神奇的现象、巧妙的设计、精美的外观能牢牢抓住学生的目光，活跃了课堂的气氛，能够起到实验仪器所不能替代作用，使学生在好奇中愉快地学习物理。例如在离心运动的教学中，为引入课题我在讲台上展示了最近两年才出现的新玩具跳跳球，其怪异而讨喜的动作立马激发了所有学生的好奇心。我再让几位同学将跳跳球握在手中，感受球内有一种左右或上下冲击的力量，适时引导学生猜测其中原因，一起拆开玩具一探究竟，顺利引入离心运动的课题。图六图五又如在学习圆周运动实例分析一节，我是这样引入课题的：将事先准备好的透明直筒杯子倒扣在桌面上，内有一乒乓球，要求学生不翻转杯子，不用任何其它工具，不用手直接接触乒乓球，而将乒乓球提起来。不少学生都想到利用乒乓球在杯子内壁做圆周运动的方法，如图五，不禁跃跃欲试，课堂气氛因此活跃起来，整堂课也由此展开。我们还可以通过事先录制的，有关迪斯科转盘、过山车、旋转飞椅（如图六）等大型游乐项目的视频，或者让学生讲述亲历的过程与感受，来激发学生学习的兴趣，并以此引导学生去发现问题、解决问题。二、再现物理情景，开发演示实验。图七有一些玩具其本身就是一件很好的实验教具，可以直接引入课堂；有一些玩具可以稍作改造，或者重新组合，就可以成为一件很有价值的实验器材；还有一些玩具本身并不适合课堂教学，但却可以启发我们根据它的设计原理和思路，设计新颖的实验。图八如图七所示的玩具车，摁在桌面上往后一推，放手后可以往前运动好几米。这种玩具小车本身如果直接用于物理课堂，意义不大。为了利用玩具小车再现汽车转弯过程由于离心力作用翻车的情景，我们对其进行了简单的改造。我们将小车的前轮扭转一定的角度并固定，这样，只要小车启动就必定做曲线运动，结果小车在放手后速度达到一定大小后，就翻到了，现象非常明显，操作简单成功率也很高。我们还取来几辆相同的玩具小车，将它们的前轮扭转不同的角度进行对比，很好地说明转弯越急，即运动半径越小，越容易做离心运动而翻车。图九又如上文介绍的旋转飞椅，这种大型游乐器械不可能直接搬进课堂作为实验器材，但是我们可以利用它设计的思路，将一块圆形木板通过一支柱，水平固定在机械转盘上，在圆板边缘悬挂一小球，如图八，可以形象模拟旋转飞椅的受力情况。我们还可以在圆板上离圆心不同距离处，悬挂几个小球进行对比，生动说明旋转飞椅这种娱乐活动中，为什么越外缘的飞椅越容易“飞”起来。我们还注意到，旋转飞椅中摆开的绳子，并不像许多同学想象的向外同时向后摆，而只是向外摆。这一事实，不正是说明做匀速圆周运动的物体其合外力提供向心力这一规律吗？由此我们不仅利用上述图八所示的仪器说明这个问题，而且还设计了以下实验：在机械转盘的外缘一点，竖直固定一根粗铜丝，铜丝顶端固定一重球，如图九，旋转转盘小球做圆周运动使铜丝弯折，由于铜丝大幅度弯折后不能恢复，学生从铜丝沿半径向外弯折而非切向弯折的事实，明白了做匀速圆周运动的物体的受力规律。三、丰富习题背景，培养建模能力。利用玩具作为物理习题的背景，将物理知识与生活实际内容结合起来，让学生在解题的过程中，逐步培养建立物理模型解决实际问题的能力，一直是我们开发科学玩具的物理教育功能的主要方向之一。例题：呼啦圈是在五十年代从美国流行起来的，于八十年代传入我国，是一种老少咸宜的运动，虽然玩的人很多，但想玩好却不容易。小明现在有一个呼啦圈，直径约为1m，质量约为1kg，小明发现如果转速低于每秒一转时，呼啦圈就很容易掉下来，请根据这些数据，帮助小明估算他的衣服与呼啦圈之间的动摩擦因数。图十学生要解决这样的问题，首先应该建立一个相对合理的理想化模型，如图十，将人视为一圆柱体，呼啦圈做圆周运动的向心力由圆柱体的弹力提供，而圆柱体对呼啦圈的摩擦力需要平衡呼啦圈的重力。假设呼啦圈的质量为m，转动角速度为，半径为r，呼啦圈与衣服之间的弹力为F，动摩擦因数为。则：F=m2r ；F=mg ，结合两式，并代入数据可得=0.5。需要说明的是，真实的呼啦圈运动情景要考虑到人的腰部对呼啦圈切向的摩擦和人的腰部做圆周运动的半径，比上述的理想模型复杂得多，但基于高中学生的知识局限，建立上述理想模型还是相对合理的。学生通过上述的计算可以了解到，能否成功运转呼啦圈，关键不在于呼啦圈的质量，而是转速与摩擦因数。我们还可以设计习题，通过计算让学生了解，为什么迪斯科转盘运转时，人站的位置越靠近圆心，越容易站稳？过山车的惊险刺激而又有惊无险是因为什么？跳跳球想要腾空，其质量和电动机的转速应该满足什么关系？等等。这些基于玩具背景的问题不仅让学生习得物理知识，更重要的是让学生学会建模，学以致用。 四、开展研究性学习，提高技术素养。图十一研究性学习既是物理课堂教学的补充，也是课堂教学的延伸。学生获得系统的物理基础知识，主要来源于课本，但大量物理知识的扩展却来自课外。基于玩具的研究性学习符合学生的学习心理特征，有助于激发学生学习兴趣，有利于学生运用物理原理解决实际问题，并加深对技术设计的理解，从而得到科学素养与技术素养的全面提升。我的一位学生对跳跳球非常喜欢，在指导老师的引导下，他对跳跳球进行了拆解分析，弄清了内部的结构和物理原理。感叹玩具设计之巧妙的同时，这位同学还尝试将跳跳球的设计原理进行迁移应用，经过一段时间的思考，设计了一个名为“跳跳水母”的玩具，其实就是将跳跳球悬浮在水中，并将玩具的外形做成水母的形状，设计图如图十一。但看起来很简单的应用，真正在具体制作的过程中却遇到了许多困难，例如如何保证玩具的密封但又能够方便更换电池？如何在保证密封的前提下设置方便的开关？如何实现玩具的悬浮？等等。这些问题有一些已经找到解决的办法，但还有一些至今尚未解决。虽然“跳跳水母”至今还只是一个设计，但却让设计它、研究它的同学为之疯狂了很长一段时间。作为指导老师，我高兴地看到，同学们对物理原理和设计技术的认识发生了巨大的变化，他们对知识的认识将不再是停留在解题和考试上，他们今后的学习必将闪现创新的光芒，这不正是研究性学习最大的收获吗？图十三图十二还有一组同学对发光陀螺（如图十二）等设置有离心开关的玩具，开展过近一个学期的研究。期间拆解了不少玩具，并运用已学