列曉東 梁淑媚

(廣州市第十六中學(xué) 廣東 廣州 510080) (廣州市真光中學(xué) 廣東 廣州 510380)

“運(yùn)動(dòng)的合成與分解”在高中物理中占有重要的地位,它處于學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)的分析從直線運(yùn)動(dòng)到曲線運(yùn)動(dòng)、從簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)到復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵位置上，而這個(gè)內(nèi)容較為抽象，學(xué)生難以理解，僅靠教材上編排的一個(gè)實(shí)驗(yàn)[1](紅蠟塊的運(yùn)動(dòng)) 難以突破難點(diǎn).因此，文中針對(duì)本節(jié)課的教學(xué)過(guò)程， 設(shè)計(jì)了相應(yīng)的創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)及教學(xué)建議，力求提高教學(xué)效果.

1 區(qū)分合運(yùn)動(dòng)和分運(yùn)動(dòng)并理解二者之間具有等時(shí)性

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如圖1所示，在木制展板上方安裝一個(gè)抽屜滑軌，并在上面固定一個(gè)滑塊；繩子1的一端綁著小球A，另一端經(jīng)過(guò)定滑輪后固定在滑塊鐵釘上；繩子2綁著小球B,掛在滑塊鐵釘下方；繩子3的一端綁著小球C，另一端繞過(guò)滑塊上的鐵釘后固定在展板上；3個(gè)小球在空間上前后擺放，相互錯(cuò)開.演示前，把滑塊移到展板左端，調(diào)整繩子的長(zhǎng)度，使3個(gè)小球處在同一水平高度上.這樣，當(dāng)滑塊水平向右勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，小球A豎直向上勻速運(yùn)動(dòng)，小球B水平向右勻速運(yùn)動(dòng).由于A，C兩球在豎直方向上速度相等，而B，C兩球有相同的水平速度，故球A的運(yùn)動(dòng)速度能代表球C在豎直方向上的分速度，球B的速度能代表球C在水平方向上的分速度.

圖1 演示合運(yùn)動(dòng)和分運(yùn)動(dòng)之間具有等時(shí)性

1.2 教學(xué)建議

教師先單獨(dú)掛上小球A,B和C，使滑塊向右勻速運(yùn)動(dòng)，讓學(xué)生觀察小球的運(yùn)動(dòng)情況，引導(dǎo)學(xué)生思考3個(gè)小球的運(yùn)動(dòng)有什么關(guān)系.接著同時(shí)掛上3個(gè)小球，滑動(dòng)滑塊，使3個(gè)小球同時(shí)運(yùn)動(dòng).顯然，小球C的運(yùn)動(dòng)效果與小球A,B運(yùn)動(dòng)效果之和相同，從而教師給出合運(yùn)動(dòng)及分運(yùn)動(dòng)的定義，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考這3個(gè)小球在運(yùn)動(dòng)的時(shí)間上有什么關(guān)系.推導(dǎo)出合運(yùn)動(dòng)和分運(yùn)動(dòng)之間具有等時(shí)性.

2 演示兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)之間具有獨(dú)立性

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如圖2所示，在實(shí)驗(yàn)1展板背面貼上坐標(biāo)紙，畫上起點(diǎn)線和終點(diǎn)線；再在滑塊上安裝一個(gè)帶滾輪的電動(dòng)機(jī)；繩子的一端綁上一個(gè)小球，另一端纏繞在電動(dòng)機(jī)的滾輪上.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)小球以恒定速度上升.

圖2 演示兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)之間具有獨(dú)立性

2.2 教學(xué)建議

教師在開啟電動(dòng)機(jī)的同時(shí)，勻速推動(dòng)滑塊，并讓學(xué)生記錄不同水平速度下小球從起點(diǎn)線上升到終點(diǎn)線所用的時(shí)間.通過(guò)比較，學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)，水平方向運(yùn)動(dòng)速度的大小并不影響小球到達(dá)終點(diǎn)線所用的時(shí)間，即水平方向的運(yùn)動(dòng)與豎直方向的運(yùn)動(dòng)互不影響，從而理解兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)之間具有獨(dú)立性.

3 演示運(yùn)動(dòng)的合成與分解符合平行四邊形定則

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

如圖3所示，將一對(duì)抽屜滑軌用一個(gè)調(diào)角旋鈕銜接起來(lái)，組成一個(gè)可調(diào)角度的“L型支架”，其中調(diào)角旋鈕是從自行車撐傘架可轉(zhuǎn)動(dòng)部分拆卸下來(lái)的；在滑軌的表面粘上傳動(dòng)皮帶，并分別在兩個(gè)滑軌的起始端固定兩個(gè)帶有齒輪的力矩比較大的直流電動(dòng)機(jī)，借助直流電機(jī)控制滑軌的伸縮；在豎直方向的滑軌上安裝一個(gè)金屬架，用于固定白板筆；滑軌的下方安裝一個(gè)滾輪，用于支撐“L型支架”；最后在繪圖區(qū)固定一塊有機(jī)玻璃板，用于記錄白板筆的運(yùn)動(dòng)軌跡.圖示中的U1，U2分別代表兩臺(tái)學(xué)生電源的輸出電壓，用一個(gè)雙刀單擲開關(guān)S同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)的開斷.這樣，兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)可控制白板筆做水平和豎直方向的運(yùn)動(dòng).通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)角旋鈕改變分運(yùn)動(dòng)的夾角，調(diào)節(jié)學(xué)生電源的輸出電壓改變分運(yùn)動(dòng)的速度大小，即可讓白板筆在有機(jī)玻璃板上畫出不同的合運(yùn)動(dòng)軌跡.另外，在演示前使滑軌處于伸展?fàn)顟B(tài)，演示時(shí)使滑軌收縮，有助于減小直流電動(dòng)機(jī)所受到的阻力.

圖3 演示運(yùn)動(dòng)的合成與分解符合平行四邊形定則

3.2 教學(xué)建議

首先，調(diào)整出合適的夾角，在起點(diǎn)位置標(biāo)記O點(diǎn)；其次，先使直流電動(dòng)機(jī)A，B的供電電壓分別為零和U1，閉合開關(guān)，使豎直方向的滑軌獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，利用機(jī)械停表計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)時(shí)間Δt后斷開開關(guān)，白板筆記錄該方向的運(yùn)動(dòng)軌跡；然后使白板筆回到O點(diǎn)，將直流電動(dòng)機(jī)A，B的供電電壓改為U2和零，閉合開關(guān)，使水平方向的滑軌獨(dú)立運(yùn)動(dòng)相同的時(shí)間Δt；最后將直流電動(dòng)機(jī)A，B的供電電壓改為U2，U1，閉合開關(guān)，使兩條滑軌同時(shí)運(yùn)動(dòng)相同的時(shí)間Δt，此時(shí)白板筆畫出合運(yùn)動(dòng)軌跡.最后用紅色筆作輔助線，學(xué)生可以觀察到合運(yùn)動(dòng)和分運(yùn)動(dòng)符合平行四邊形定則.改變分運(yùn)動(dòng)的夾角，可演示分運(yùn)動(dòng)分別為銳角、直角、鈍角時(shí)的合成情況.

圖4展示了當(dāng)分運(yùn)動(dòng)夾角為鈍角時(shí)，白板筆所留下的軌跡情況.白板筆墨跡清晰，教師可根據(jù)課堂需要，讓學(xué)生量出相應(yīng)線段的長(zhǎng)度或夾角，通過(guò)數(shù)學(xué)方法驗(yàn)證其符合平行四邊形定則.

圖4 演示運(yùn)動(dòng)的合成與分解符合平行四邊形定則

4 拓展演示“小船渡河”情景

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

同樣采用實(shí)驗(yàn)3的裝置，在白板筆上粘貼一條紙船，并在有機(jī)玻璃板上畫兩條平行線表示河岸.兩滑軌的運(yùn)動(dòng)分別代表紙船在靜水中的運(yùn)動(dòng)及水流的運(yùn)動(dòng).通過(guò)設(shè)定兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的輸入電壓來(lái)調(diào)整“水速”和“船速”的大小，調(diào)節(jié)調(diào)角旋鈕以改變兩個(gè)分速度的夾角，閉合開關(guān)，讓兩滑軌同時(shí)運(yùn)動(dòng)，便可模擬出“小船渡河”情景.

4.2 教學(xué)建議

教師在演示前，設(shè)定好“水速”和“船速”的大小.演示時(shí)，先單獨(dú)啟動(dòng)其中一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，讓學(xué)生觀察水速和靜水中船速的大小，將紙船復(fù)位到O點(diǎn)后同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，觀察紙船的合運(yùn)動(dòng)軌跡.通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)角旋鈕改變“船頭”的朝向，展示紙船不同的渡河情況，引導(dǎo)學(xué)生分析，從而幫助學(xué)生熟練地運(yùn)用平行四邊形定則.同時(shí)，利用形象的生活情境幫助學(xué)生進(jìn)一步理解合運(yùn)動(dòng)與分運(yùn)動(dòng)的關(guān)系.圖5展示了當(dāng)“船速”大于“水速”時(shí)，兩者夾角為銳角、直角和鈍角時(shí)的合運(yùn)動(dòng)軌跡.

圖5 “小船渡河”情景

另外，實(shí)驗(yàn)3的裝置還可以演示物體做曲線運(yùn)動(dòng)情況.將一個(gè)滑動(dòng)變阻器與直流電動(dòng)機(jī)B串聯(lián)，再連接到學(xué)生電源上，用于小幅度調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)兩端的輸入電壓，從而使白板筆在豎直方向做變速運(yùn)動(dòng)，而在水平方向保持勻速運(yùn)動(dòng).教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生比較物體分別做直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)分運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生思考物體在什么情況下做曲線運(yùn)動(dòng).從而為學(xué)習(xí)“物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件”、“平拋運(yùn)動(dòng)”埋下伏筆.

參考文獻(xiàn)

1 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理·必修2.北京：人民教育出版社，2010