笪　敏　周國(guó)平

在演示“質(zhì)點(diǎn)在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)時(shí),每次實(shí)驗(yàn)都需要倒置才能使蠟塊重新上浮,并且在水平方向用手直接移動(dòng),難以做到勻速運(yùn)動(dòng),實(shí)驗(yàn)效果不理想。筆者在教學(xué)過(guò)程中對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn),并在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)“分運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性”探究這一環(huán)節(jié),通過(guò)課堂教學(xué)實(shí)踐,效果良好。

“蠟塊在玻璃管中的運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)是“質(zhì)點(diǎn)在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)”中重要演示實(shí)驗(yàn)。蠟塊實(shí)驗(yàn)(圖1)演示方便、操作簡(jiǎn)單,能夠直觀地讓學(xué)生觀察到平面內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的曲線運(yùn)動(dòng),可以作為很好的新課引入,同時(shí)還可以作為探究蠟塊的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)。但是,該實(shí)驗(yàn)裝置在具體操作時(shí)存在2個(gè)問(wèn)題:一是每次實(shí)驗(yàn)都需要倒置才能使蠟塊重新上浮,不僅操作麻煩,也使2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生不必要的干擾;二是實(shí)驗(yàn)中水平方向用手直接移動(dòng),受人為的影響太大,而氣墊導(dǎo)軌在很多學(xué)校都因成本太高而沒有條件配備。

因此,筆者對(duì)該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后的演示儀器不僅解決了上述問(wèn)題,而且儀器制作簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)裝置在一般的高中學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室中都能找到,成本低,實(shí)驗(yàn)效果比較理想。

實(shí)驗(yàn)儀器的選取與制作

玻璃管在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室選取一根酸式滴定管,長(zhǎng)約80 cm,內(nèi)徑約1 cm。

紅蠟塊用買來(lái)的紅蠟燭仔細(xì)切割成圓柱形,要注意邊緣要切割光滑而且要?jiǎng)偤煤筒ＡЧ艿膬?nèi)徑吻合,這樣就能保證蠟塊在上浮的時(shí)候基本不會(huì)晃動(dòng)。

巧妙使用縫衣針為了便于控制蠟塊和避免玻璃管中出現(xiàn)的氣泡(在進(jìn)行封口的時(shí)候總是有氣泡難以排除)干擾效果,可以在紅蠟塊中間插入一根縫衣針,以便通過(guò)磁鐵將蠟塊從頂端移至下端,這樣設(shè)計(jì),可以避免將玻璃管來(lái)回倒置,即使有氣泡也不受影響。筆者原本以為很輕易就可以完成插入縫衣針的工作,結(jié)果發(fā)現(xiàn)針剛插入一點(diǎn),蠟塊周圍就會(huì)碎,所以必須先用火把針尖燒紅,再對(duì)準(zhǔn)蠟塊的正中心快速插入,這樣做出來(lái)既美觀又牢固,不必?fù)?dān)心針會(huì)脫落。

溶液配置小竅門由于玻璃滴定管的內(nèi)徑只有1 cm左右,蠟塊的體積比較小,并且蠟塊與玻璃壁之間在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還有一定的摩擦力,當(dāng)蠟塊中間有插入的一根針以后,蠟塊會(huì)因浮力不夠而無(wú)法勻速上浮或者上浮的速度很小,因此,可以用鹽和糖的水溶液來(lái)代替純水溶液。如果在嘗試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)光是用鹽的飽和溶液還無(wú)法使蠟塊上浮達(dá)到理想的速度,就可以再加入適量的白糖來(lái)調(diào)配溶液,直到蠟塊達(dá)到理想的上浮速度為止。

固定裝置化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中用于固定滴定管的鐵架臺(tái)和鐵夾,為了使實(shí)驗(yàn)更加穩(wěn)定,選取測(cè)定勻加速直線運(yùn)動(dòng)加速度實(shí)驗(yàn)中的塑料小車。如圖2所示,將鐵架臺(tái)用膠帶紙固定在小車上,并讓小車在金屬導(dǎo)軌上通過(guò)繩子由沙桶牽引運(yùn)動(dòng)。

沙桶選擇沙桶而不用勾碼的原因:沙桶的質(zhì)量很容易控制,實(shí)驗(yàn)前只要通過(guò)控制沙子的量就可以控制使小車大致勻速或者是勻加速(由于每次放置儀器的桌面水平度會(huì)略有不同,所以上課前課間10分鐘要完成調(diào)試工作)。

紅色標(biāo)記線實(shí)驗(yàn)中只研究紅蠟塊在這2根標(biāo)記線之間的運(yùn)動(dòng)情況,這樣可以避免浮體由靜止開始做變加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響。

磁鐵用于控制紅蠟塊的位置。

秒表用于探究分運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性。

課堂演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)一 引入新課

實(shí)驗(yàn)方案一:先使蠟塊豎直上浮,小車不動(dòng),提問(wèn)學(xué)生,學(xué)生觀察后得出,蠟塊大致勻速上浮。當(dāng)蠟塊上浮至最高點(diǎn)靜止后,再釋放小車,使玻璃管水平運(yùn)動(dòng),學(xué)生觀察后也可得出紅蠟塊大致是在水平方向勻速運(yùn)動(dòng)。最后使蠟塊上浮的同時(shí)釋放小車,問(wèn)小車究竟是做什么樣的運(yùn)動(dòng)?

學(xué)生會(huì)考慮到,此時(shí)光用眼睛看,根本無(wú)法解決問(wèn)題。教師此時(shí)設(shè)計(jì)問(wèn)題,逐步引導(dǎo)學(xué)生先定性分析蠟塊的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)。問(wèn)題1:蠟塊大致朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)?(大致朝右上方運(yùn)動(dòng))問(wèn)題2:蠟塊參與了哪些運(yùn)動(dòng)?(水平和豎直都有參與)問(wèn)題3:蠟塊的實(shí)際運(yùn)動(dòng)和它參與的2個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上有什么關(guān)系?(通過(guò)實(shí)驗(yàn)的演示,學(xué)生可以自主分析出等時(shí)性)問(wèn)題4:蠟塊在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到水平方向運(yùn)動(dòng)的影響嗎?(此時(shí)學(xué)生的意見就無(wú)法統(tǒng)一,教師引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)探究這一問(wèn)題)

實(shí)驗(yàn)二 探究物體運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性

實(shí)驗(yàn)方案二:通過(guò)測(cè)量3個(gè)時(shí)間,比較3個(gè)時(shí)間的大小,這3個(gè)時(shí)間分別是:1)玻璃管靜止時(shí),測(cè)出蠟塊在2根標(biāo)記線間運(yùn)動(dòng)的時(shí)間T1;2)蠟塊上浮的同時(shí),使小車在水平方向上做勻速運(yùn)動(dòng),測(cè)出蠟塊在2根標(biāo)記線間運(yùn)動(dòng)的時(shí)間T2 ;3)給沙桶增加重量,使蠟塊上浮的同時(shí),使小車在水平方向上做加速運(yùn)動(dòng),測(cè)出蠟塊在2根標(biāo)記線間運(yùn)動(dòng)的時(shí)間T3。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,給學(xué)生分發(fā)計(jì)時(shí)秒表,讓學(xué)生來(lái)測(cè)量2次的時(shí)間,讓學(xué)生在探究活動(dòng)中體驗(yàn)成功的喜悅。如果T1、T2、T3在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)近似相等,則可以說(shuō)明蠟塊在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)不受水平方向上的運(yùn)動(dòng)影響。由此可以得出分運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性。

設(shè)計(jì)探究過(guò)程說(shuō)明:在探究具體軌跡之前先定性分析很有必要。因?yàn)槠矫嬷苯亲鴺?biāo)系中探究軌跡和速度時(shí)必須要用到等時(shí)性和獨(dú)立性,所以必須在定性地分析過(guò)蠟塊的運(yùn)動(dòng)后,才可以引導(dǎo)學(xué)生在平面直角坐標(biāo)中理論上解決軌跡和速度的問(wèn)題。

本節(jié)課借助蠟塊演示實(shí)驗(yàn),先給學(xué)生一個(gè)直觀的印象,然后在該實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上定性地探究蠟塊的運(yùn)動(dòng)性質(zhì),最后借助數(shù)學(xué)方法在平面直角坐標(biāo)內(nèi)進(jìn)行理論的定量分析。演示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,學(xué)生參與度高,氣氛活躍。從課后反饋的信息來(lái)看,學(xué)生理解和掌握知識(shí)的情況良好。

(作者單位:1 浙江省孝豐高級(jí)中學(xué);2 浙江省安吉高級(jí)中學(xué))