抖空竹,说物理——中国传统游戏与大学物理教学.pdf
《抖空竹,说物理——中国传统游戏与大学物理教学.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《抖空竹,说物理——中国传统游戏与大学物理教学.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、物理与工程 V o l.3 3 N o.3 2 0 2 3抖空竹,说物理 中国传统游戏与大学物理教学石宏霆 刘兆龙 王 菲 胡海云(北京理工大学物理学院,北京 1 0 0 0 8 1)摘 要“抖空竹”是一项有着悠久历史的中国传统经典游戏。我们将它引入大学物理教学,挖掘其中蕴含的物理知识,包括刚体定轴转动定律、回转体进动、绳缠绕问题等,并用于课堂演示实验与互动。从物理角度探讨空竹游戏,将中国元素融入大学物理教学,集知识性、趣味性、思想性于一体,寓教于乐。这种授课模式,既加深了学生们对物理知识的理解,又弘扬了中国传统文化。关键词 传统游戏;空竹;定轴转动定律;进动S H A K I N G D I
2、 A B O L O,T A L K I N G A B O U T P H Y S I C SC H I N E S E T R A D I T I O N A L G AME S A N D C O L L E G E P H Y S I C S T E A C H I N GS H I H o n g t i n g L I U Z h a o l o n g WA N G F e i H U H a i y u n(S c h o o l o f P h y s i c s,B e i j i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y,
3、B e i j i n g 1 0 0 0 8 1)A b s t r a c t “S h a k i n g D i a b o l o”i s a C h i n e s e t r a d i t i o n a l c l a s s i c g a m e w i t h a l o n g h i s t o r y.W e i n-t r o d u c e d i t i n t o c o l l e g e p h y s i c s t e a c h i n g,a n d e x p l o r e d t h e p h y s i c a l k n o w l
4、 e d g e c o n t a i n e d i n i t,i n c l u d i n g t h e l a w o f f i x e d-a x i s r o t a t i o n o f r i g i d b o d i e s,p r e c e s s i o n o f r o t a t i n g b o d i e s,r o p e w i n d i n g p r o b l e m s,e t c.,a n d u s e d i t f o r c l a s s r o o m d e m o n s t r a t i o n e x p
5、e r i m e n t s a n d i n t e r a c-t i o n s.D i s c u s s d i a b o l o g a m e s f r o m t h e p e r s p e c t i v e o f p h y s i c s,i n t e g r a t e C h i n e s e e l e m e n t s i n t o c o l l e g e p h y s i c s t e a c h i n g,i n t e g r a t e k n o w l e d g e,i n t e r e s t a n d i d
6、e o l o g y,a n d c o m b i n e e d u c a t i o n w i t h f u n.T h i s t e a c h i n g m o d e n o t o n l y d e e p e n s s t u d e n t s u n d e r s t a n d i n g o f p h y s i c s,b u t a l s o p r o m o t e s C h i n e s e t r a d i t i o n a l c u l t u r e,i n c r e a s e s t h e i r n a t i
7、o n a l p r i d e.K e y w o r d s t r a d i t i o n a l g a m e;d i a b o l o;t h e l a w o f f i x e d-a x i s r o t a t i o n o f r i g i d b o d i e s;p r e c e s s i o n收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 9作者简介:石宏霆,男,副教授,工作方向为凝聚态物理理论计算,主要研究内容材料高压条件下的结构和磁性相变、弹性属性;材料体和表面及其缺陷系统的位形和电子结构;合金生长过程中的动力学演化;材料可见光区域的光催化性质等。
8、引文格式:石宏霆,刘兆龙,王菲,等.抖空竹,说物理 中国传统游戏与大学物理教学J.物理与工程,2 0 2 3,3 3(3):7 0-7 5.C i t e t h i s a r t i c l e:S H I H T,L I U Z L,WAN G F,e t a l.S h a k i n g d i a b o l o,t a l k i n g a b o u t p h y s i c sC h i n e s e t r a d i t i o n a l g a m e s a n d c o l l e g e p h y s-i c s t e a c h i n gJ.P
9、h y s i c s a n d E n g i n e e r i n g,2 0 2 3,3 3(3):7 0-7 5.(i n C h i n e s e)0 引言中国是一个历经五千年历史的文明古国,有着灿烂辉煌、博大精深的传统文化,中国古代的经典玩具也是其中的一部分,是古人智慧的结晶。对于新时代的大学生,从多角度、多层面了解中国传统文化,有利于培养他们的爱国主义精神。我们大学物理教学团队也积极响应号召,致力于从多方面加强大学物理课程的思政建设,力争做到在传授物理知识的同时,提高学生们的思想政治素养。本文主要介绍我们教学团队在实际课程中的一个实例,通过玩转一个中国古代传统玩具 空竹(见
10、图1),讲授其中蕴含的物理知识,并融入了一定07物理与工程 V o l.3 3 N o.3 2 0 2 3的中国传统文化内容,以寓教于乐的方式,吸引学生的注意力,激发学生的兴趣,积极与学生进行课堂互动,从而加深学生对知识的理解,与此同时,也让学生们对中国传统文化能有更多的了解。图1 空竹空竹,又称为空钟、空筝、扯铃等,为一种中国民间传统玩具,发源于北京一带,流行于全国各地。典型的空竹有单轮和双轮之分(见图1),因玩转单轮空竹时,有明显的进动现象,且过程中也涉及刚体定轴转动,所以本论文所介绍的演示实验采用的是单轮空竹。空竹在中国具有悠久的历史,早在三国时期,曹植即写过一首诗 空竹赋;宋朝时期,宋
11、江也写过一首关于空竹的诗:“一声低来一声高,嘹亮声音透碧霄,空有许多雄气力,无人提挈漫徒劳。”证明空竹在中国历史上已有较久的历史,是中国传统文化苑中一株灿烂的花朵1,2。玩转空竹的游戏称作抖空竹、抖地铃、拉空竹等,具有很强的观赏性,可以强身健体。1 8世纪时,空竹随着欧洲外交使节流传到法国,法国巴黎即有空竹的俱乐部和比赛,空竹变成一种时髦的运动,在拿破仑的宫廷中出现了第一个木制空竹;后来英国人也迷上了这个神奇的小玩意儿,他们称为“两根棍子上的精灵”,很快地受到广泛欢迎。如今空竹已经遍及世界各地,同时每年例行举办的世界杂技大赛中也有空竹的项目。可见空竹这个玩具也为我们与世界的文化交流,做出了自己
12、的贡献1,2。普通人抖空竹,一般分为启动阶段和维持阶段。启动阶段是通过反复拉扯缠绕在空竹轴上的绳子,利用绳与轴之间的摩擦力矩,加速空竹旋转,最终使得空竹能够达到稳定的进动(见图2)。这个阶段虽然严格来说,不是定轴转动,但我们实际讨论这个过程时,主要是关注摩擦力矩使空竹加速旋转这一点,可以忽略进动对角动量的影响,因而只涉及刚体定轴转动定律的应用。通过课堂展示,可以定性甚至定量的讨论摩擦力的冲量矩对刚体定轴转动角动量的影响。此外,这个阶段还涉及大学物理力学中的一个典型问题,就是缠绕在圆柱上的绳子两端的拉力、缠绕包角和摩擦力之间的关系。维持阶段是指当空竹转速很快时,已经不用不停地拉扯绳子继续加速转动
13、,空竹会稳定的悬吊在绳子上进动。当然,由于摩擦力的作用,空竹转速会减慢,所以还需要时不时地拉扯一下绳子,以维持空竹的高速自转和稳定进动。这个阶段主要涉及大学物理教学中回转体进动这一知识点。通过现场演示,可以让学生们很直观的理解进动,并且了解自转角速度与进动角速度之间的关系。图2 进动中的空竹接下来,我们将以实际教学为例,分别讨论这两个阶段所涉及的物理问题。1 空竹中的物理图3 截面图:空竹在摩擦力矩的作用下加速旋转1.1 启动阶段1.1.1 刚体定轴转动定律的应用在启动阶段,主要研究的是摩擦力矩使空竹加速旋转的问题(见图3)。刚体定轴转动定律的表达式为3-517物理与工程 V o l.3 3
14、N o.3 2 0 2 3M=f r=J(1)其中,f为绳与轴之间的摩擦力,r为空竹轴的半径,J为空竹对轴中心线的转动惯量,为角加速度,M为摩擦力对轴中心线的力矩。上式的积分形式t2t1Mdt=J 2-1 =J(2)更能说明这个演示实验中空竹的加速转动过程,它表明摩擦力对空竹中心轴的冲量矩等于该段时间内空竹对同一轴角动量的增量。式中1、2、分别为空竹初态角速度、末态角速度、角速度增量。在空竹的启动过程中,每一次拉扯绳子,相当于绳子的摩擦力给了空竹一个冲量矩,使其获得一个角动量(或角速度)增量,经过反复不断的拉扯,累积了角动量增量,使空竹达到很高的转速。由于空竹这个玩具,在旋转过程中还可以发出响
15、声,所以它的转速可以很直观的反应在发出声音的强度和音调上。在开始拉扯时,由于转速较慢,几乎听不到什么声音,随着拉扯次数的增加,发 出 的 声 音 会 越 来 越 响 亮,音 调 也 会 越 来越高。启动阶段空竹状态并不稳定,转速增加是不连续的。每次拉扯绳子,空竹还伴有向上的加速度,而拉扯间隙摩擦阻力矩又使它转速减小,因而整个动力学过程比较复杂,虽然可以定性的用刚体定轴转动定律来解释,但几乎无法定量描述。在演示完空竹的进动现象后,总有一个空竹悬吊在绳子上,一方面进动,另一方面在恒定摩擦阻力矩的作用下比较稳定的转速减小过程。如果忽略掉进动,只考虑这个减速转动,我们还可以定量的来讨论刚体定轴转动定律
16、在这个过程中的应用,虽然这里的定量性与严谨的科学实验无法比拟,但作为粗略的估算,可以在一定程度上验证定轴转动定律,有助于学生们对这个知识点的理解。实际操作中,在空竹侧面贴上反光膜,配合一台光感应的转速测量仪(见图4),可以随时测量空竹的瞬时转速,进而验证刚体定轴转动定律。由式(2),在恒定的摩擦阻力矩M作用下,空竹应该做匀减速转动,有Mt=J(2-1)=2-1=MJt(3)其中,J为空竹对中心轴线的转动惯量,显然为常图4 本实验所用的转速测量仪量。于是,此式表明,在匀减速转动过程中,相同的时间间隔t,空竹转速的减小量应该相同。实际演示时,我们让空竹处于末期的稳定减速转动中,以相等的时间间隔多次
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 空竹 物理 中国传统 游戏 大学物理 教学
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。