段麗平

(廣州開發(fā)區(qū)中學(xué)，廣東 廣州 510730)

初中物理“機(jī)械能的轉(zhuǎn)化”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)探索

段麗平

(廣州開發(fā)區(qū)中學(xué)，廣東 廣州 510730)

文中制作的作品從斜面滑下到水平面后，不是停下來，而是返回，又滾上斜面，體現(xiàn)了重力勢(shì)能、動(dòng)能和彈性勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化。為了讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，我們分別從橡皮筋的彈性，罐子的透明度，罐子速度快慢的直觀顯示進(jìn)行改進(jìn)，收到較滿意的效果。

機(jī)械能的轉(zhuǎn)化;彈性形變;顏色盤 ;可視性

機(jī)械能的轉(zhuǎn)化問題是初中物理教學(xué)的重點(diǎn)，課標(biāo)對(duì)此的要求是：通過實(shí)驗(yàn)或?qū)嵗J(rèn)識(shí)物體的動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化，能解釋與機(jī)械能有關(guān)的現(xiàn)象[1]。筆者在實(shí)際的教學(xué)工作中，發(fā)現(xiàn)可以通過滾擺、過山車等實(shí)例講授動(dòng)能和重力勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化，通過網(wǎng)球球拍發(fā)生彈性形變的視頻講授動(dòng)能和彈性勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化，但是，有沒有一個(gè)小實(shí)驗(yàn)?zāi)芡瑫r(shí)將動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能之間的轉(zhuǎn)化都包含在內(nèi)呢？

文中提及的實(shí)驗(yàn)來自于人教版物理八年級(jí)下冊(cè)課本P74頁第4題：如圖1所示，在一個(gè)罐子的蓋和底各開兩個(gè)小洞，將小鐵塊用細(xì)繩綁在橡皮筋的中部穿入罐中，橡皮筋兩端穿過小洞用竹簽固定，做好后將它從不太陡的斜面滾下，則觀察到的現(xiàn)象是______，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：______________[2]。

圖1 第一次模板

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是罐子會(huì)返回斜面，因?yàn)橄鹌そ畹膹椥詣?shì)能轉(zhuǎn)化為罐子的動(dòng)能和重力勢(shì)能，所以罐子能返回斜面。

實(shí)驗(yàn)過程的準(zhǔn)確描述應(yīng)是這樣：鐵罐從不太陡的斜面上滾下，當(dāng)從最高處滾下時(shí)，鐵罐先由慢到快、后由快到慢滾到最低點(diǎn)。上面一段滾動(dòng)主要是重力勢(shì)能減小，鐵罐的動(dòng)能和橡皮筋的彈性勢(shì)能增加，下面一段滾動(dòng)主要是重力勢(shì)能和鐵罐的動(dòng)能減小，橡皮筋的彈性勢(shì)能增加，鐵罐在斜面上滾到最低處時(shí)，橡皮筋形變到最大程度，具有較大彈性勢(shì)能。在橡皮筋恢復(fù)的過程中，鐵罐會(huì)由斜面底部自動(dòng)滾上去。從最低處滾上時(shí)，鐵罐先由慢到快、后由快到慢滾到最高點(diǎn),下面一段向上滾動(dòng)主要是橡皮筋的彈性勢(shì)能減小,鐵罐的動(dòng)能和重力勢(shì)能增加。上面一段滾動(dòng)主要是橡皮筋的彈性勢(shì)能和鐵罐的動(dòng)能減小,重力勢(shì)能增加，所以罐子能返回斜面。

通過分析，我們認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)器材簡單，現(xiàn)象明顯，實(shí)驗(yàn)原理通俗易懂，比較好的說明動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化問題。于是，我們對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行制作，并不斷的思考和改進(jìn)。在實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和探索過程中，必須要注意的問題是：橡皮筋的彈性形變以及恢復(fù)形變的可視性，罐子的速度大小的可視性，罐子里面小鐵塊的質(zhì)量。為此，我們從這幾個(gè)方面著手開始作品的制作改進(jìn)探索過程。

1 制作改進(jìn)探索過程

1.1 第一個(gè)版本

按照課本的意思，我們制作了如圖2所示的第一個(gè)版本。罐子是一個(gè)八寶粥的瓶子，里面是一個(gè)小鐵塊，雖然能從水平面返回斜面，但是里面的橡皮筋的彈性形變的程度我們是看不到的，怎么跟別人介紹橡皮筋發(fā)生了彈性形變，怎么能清楚的看到橡皮筋在恢復(fù)彈性形變？小鐵塊質(zhì)量夠大嗎？為此我們制作了第二個(gè)版本。

1.2 第二個(gè)版本

用一個(gè)透明的“百歲山”水瓶(見圖3)，在瓶蓋和瓶底各開2個(gè)小洞；將一個(gè)大鐵圈代替一個(gè)小鐵塊用橡皮筋綁在大鐵圈的中部穿入瓶中，橡皮筋兩端穿過小洞各在兩端用2個(gè)鑰匙扣固定。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是：水瓶從斜面滾下，由于水瓶表面的凹凸不平的粗糙程度較深，摩擦很大，使瓶子滾不上斜面。

我們知道了罐子的瓶身不能有凹凸不平，必須是光滑的結(jié)論后，又找來一個(gè) “怡口蓮”罐子，和前面的制作方法一樣操作，只是把一個(gè)大鐵圈換作2個(gè)廢舊電池，用細(xì)繩綁在電池的中部穿入瓶中，細(xì)繩兩端穿過小洞在兩端各打一個(gè)結(jié)固定。將它再一次從斜面滾下時(shí)，由于罐子一端較大，一端較小，它就會(huì)像一個(gè)圓一樣在水平面上打轉(zhuǎn)。

圖2 第二次模板

圖3 第三次模板

1.3 第三個(gè)版本

在作品制作過程，有同學(xué)在問，我們用透明的罐子解決了清晰看到里面橡皮筋形變的形成和恢復(fù)的過程，有沒有辦法解決清晰看到罐子的速度快慢變化的過程呢？

我們想到在機(jī)械能的轉(zhuǎn)化中，老師演示滾擺實(shí)驗(yàn)時(shí)，在滾擺的側(cè)面涂上了紅白顏色相間的圖(如圖4所示)：當(dāng)滾擺滾動(dòng)快時(shí)，帶動(dòng)顏色盤轉(zhuǎn)動(dòng)也很快，看上去紅白紅白的變化很快，視覺區(qū)分不了，就像一個(gè)飛速運(yùn)轉(zhuǎn)的紅盤；當(dāng)滾擺滾動(dòng)慢時(shí)，帶動(dòng)顏色盤轉(zhuǎn)動(dòng)也很慢，看上去紅白紅白的變化很慢，視覺能區(qū)分紅白的顏色。顏色盤的作用就是幫助我們理解滾擺的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的。受這個(gè)顏色盤的啟發(fā)，我們能否也在罐子的兩端貼一個(gè)顏色盤呢？于是有了第三個(gè)版本。

圖4 第四次模板

用透明的罐子和有顏色盤做成的第三個(gè)版本解決了彈性形變的可視性和速度快慢變化的可視性的兩大難題，應(yīng)該是很成功的了。但是我們的同學(xué)發(fā)現(xiàn)，由于罐子口徑較小，里面的鐵塊容易與瓶身相碰，造成實(shí)驗(yàn)的不明顯。所以我們應(yīng)該用一個(gè)口徑較大的罐子做最終版本。

1.4 最終版本

綜合考慮以上因素，我們的最終版本如圖5所示。

方法是:將一個(gè)透明類似于圓柱體的罐子,兩邊各打兩個(gè)洞,用兩條橡皮筋分別穿進(jìn)洞里,在兩條橡皮筋的中間用細(xì)繩將鐵塊綁緊。實(shí)驗(yàn)得到了我們要的效果，就是：罐子從水平面返回，滾上斜面，反復(fù)好幾次，而且清楚地看到里面橡皮筋的形變相交和恢復(fù)的過程，同時(shí)還看到顏色盤時(shí)快時(shí)慢的變化情況。

圖5 第五次模板

2 對(duì)作品的探索

在不斷的對(duì)該作品進(jìn)行改進(jìn)的過程中，我們感觸很多，對(duì)作品的制作心得，亮點(diǎn)，使用和收獲整理歸納如下：

2.1 制作心得

我們的制作心得歸納起來就是:1) 橡皮筋要選擇韌性好的。2)小鐵塊不能太重或太輕,太重太大小鐵塊會(huì)與罐子摩擦,太輕慣性太小則不能促使橡皮筋發(fā)生彈性形變。3)罐子要透明的,因?yàn)檫@樣可以看到內(nèi)部的橡皮筋的形變相交和恢復(fù)情況。4)在罐子兩邊加上黑白相間的顏色盤,方便看出罐子的運(yùn)動(dòng)速度快慢。5)罐身和斜面要平滑,不能凹凸不平。

2.2 作品亮點(diǎn)

亮點(diǎn)一：本作品的制作材料均來源于生活中，成本低廉，制作簡單，演示效果好，容易激發(fā)學(xué)生的求知欲望，起到了事半功倍的作用。

亮點(diǎn)二：本作品中用到的顏色盤表征著罐子的速度變化，是滾擺實(shí)驗(yàn)中的顏色盤的遷移，是知識(shí)的應(yīng)用，通過作品的制作培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)以致用的能力。

亮點(diǎn)三：我們的作品產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(能返回斜面)與生活中常見的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象(在水平面上停下來)形成鮮明的對(duì)比，當(dāng)罐子返回到斜面時(shí)，會(huì)有一種意想不到的效果。在這種令學(xué)生感到驚奇的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象下，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性會(huì)極大的調(diào)動(dòng)起來，學(xué)習(xí)效果會(huì)更好，課堂效率會(huì)更高。

反思初中物理中，我們有這樣兩個(gè)實(shí)驗(yàn)用到了物體從一個(gè)斜面滾下，落到水平面，然后慢慢靜止的現(xiàn)象。他們與我們的制作形成鮮明的對(duì)比。

2.2.1 對(duì)比的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一：探究影響動(dòng)能大小的因素

從斜面滾下的鐵球A碰上木塊B后，能將木塊B推出一段距離， __________，表明A的動(dòng)能越大。

這里的A球從斜面滑下，推動(dòng)木塊B后，與B一起慢慢停下來。說明物體質(zhì)量越大，速度越大，具有的動(dòng)能越大。

實(shí)驗(yàn)二：阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響

(1)為什么要小車從同一高度下滑？

(2)三種表面的不同點(diǎn)是什么？

(3)小車在三種不同表面的運(yùn)動(dòng)距離有什么不同？

(4)這個(gè)現(xiàn)象說明了什么？

(5)假如小車不受到阻力的作用，可能會(huì)怎樣？

這里說明的問題是阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響。由于水平面的阻力作用，小車也會(huì)慢慢的停下來，阻力越小，小車慢慢停下滑行的距離越大。由此推導(dǎo)，若阻力為零，小車的速度便不會(huì)變小，小車會(huì)速度大小不變、方向也不變的做勻速直線運(yùn)動(dòng)下去。這是理想的情況，當(dāng)然，實(shí)際上的平面，阻力是不會(huì)為零的，小車還是會(huì)停下來。

2.2.2 本作品可研究的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)一：演示動(dòng)能和彈性勢(shì)能的轉(zhuǎn)化

把本作品放在水平地面上，用力使它向前滾動(dòng)，可以觀察到本作品滾動(dòng)一段距離后自動(dòng)返回。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明：當(dāng)作品向前滾動(dòng)時(shí)是動(dòng)能轉(zhuǎn)化為橡皮筋的彈性勢(shì)能；返回時(shí)，橡皮筋的彈性勢(shì)能又轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，這是一個(gè)動(dòng)能和彈性勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)二：動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能的轉(zhuǎn)化

把本作品放在一個(gè)不太陡的斜面上，斜面與水平面接觸。當(dāng)讓本作品靜止釋放時(shí)，它向下滾動(dòng)到水平面上后慢慢返回，并返回到斜面上。這是一個(gè)動(dòng)能、重力勢(shì)能與彈性勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化的有趣的實(shí)驗(yàn)。

[1] 教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2011.

[2] 教育部.義務(wù)教育教科書八年級(jí)物理下冊(cè) (2012年版)[S]. 北京：人民教育出版社 ，2012.

(責(zé)任校對(duì) 王小飛)

20140719

段麗平(1980- )，女，湖南郴州人，中學(xué)二級(jí)教師，主要從事初中物理教學(xué)工作。

G632.0

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1674-5884(2015)02-0023-04