曲線運(yùn)動(dòng)演示儀
——自制教具展示作品文章之二

梁振華

(德清縣第一中學(xué)浙江 湖州313200)

摘 要：利用沾水的物體能在水寫布上留下軌跡的特點(diǎn)，對(duì)教材中的相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，制作的曲線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置能夠直觀地演示曲線運(yùn)動(dòng)的方向，從而變靜觀為體驗(yàn).

關(guān)鍵詞：曲線運(yùn)動(dòng)速度方向水寫布

收稿日期：(2015-01-23)

1引言

物理是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門學(xué)科，在人教版物理教材(新課標(biāo)版)中增加了大量的實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)了科學(xué)探究的新課程理念.在“曲線運(yùn)動(dòng)”中，曲線運(yùn)動(dòng)的速度方向和運(yùn)動(dòng)條件，是教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn).筆者按照課本提供的素材和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行講解時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一些問題.

1.1砂輪實(shí)驗(yàn)

課本原引：觀察圖1描述的現(xiàn)象，你能不能說清楚，砂輪打磨下來的熾熱微粒沿著什么方向運(yùn)動(dòng)？

圖1　課本中展示的砂輪實(shí)驗(yàn)

存在的問題：教師在講解這一內(nèi)容的時(shí)候，對(duì)該實(shí)驗(yàn)的處理大多數(shù)以事先準(zhǔn)備好的影視片段的形式加以展示，很少以實(shí)物的形式在課堂上演示.即使將砂輪搬到課堂上，在做好安全保護(hù)措施的基礎(chǔ)上，還有著以下幾點(diǎn)問題：

(1)火星的軌跡無法長(zhǎng)時(shí)間保留，轉(zhuǎn)瞬即逝.

(2)在重力的作用下，火星的運(yùn)動(dòng)軌跡在后半段明顯偏離的直線，形成了曲線.

(3)演示時(shí)學(xué)生的注意力受砂輪機(jī)的巨大聲響和明亮的火星所吸引，很少去關(guān)注火星的軌跡.

1.2彎曲軌道實(shí)驗(yàn)

課本原引：如圖2，水平桌面上放置一條彎曲的軌道，它是由幾段稍短的弧形軌道組合而成的.通過壓縮彈簧或者斜面使鋼球由軌道的C端滾入，在軌道的約束下做曲線運(yùn)動(dòng).在軌道的下面放一張白紙，蘸有墨水的鋼球從出口A離開軌道后在白紙上留下一條運(yùn)動(dòng)的痕跡，它記錄了鋼球在A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向.拆去一段軌道，鋼球的出口改在B.同樣的方法可以記錄鋼球在軌道B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向.白紙上的墨跡與軌道(曲線)有什么關(guān)系？

圖2　課本中的彎曲軌道實(shí)驗(yàn)

問題呈現(xiàn)：這一實(shí)驗(yàn)放在砂輪實(shí)驗(yàn)之后，由特殊曲線運(yùn)動(dòng)過渡到一般的曲線運(yùn)動(dòng)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力和思維方法.但在實(shí)際的操作過程中存在著以下幾個(gè)問題：

(1)彎曲的軌道不易制作和尋找；

(2)小球的直徑和軌道大小若差異較大時(shí)，小球離開管口時(shí)的位置會(huì)不一致；

(3)鋼球所帶的墨水經(jīng)過一定距離之后會(huì)消耗殆盡，很難在運(yùn)動(dòng)的后半段留下清晰的軌跡；

(4)每次都需要更換白紙，重復(fù)性較差，操作不便.

對(duì)于上述存在的問題，筆者經(jīng)過多次研究，利用水寫布上只需用清水就可以留下軌跡的特點(diǎn)，制作了兩個(gè)操作簡(jiǎn)單、可視性強(qiáng)、效果明顯的教具，在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中取得了明顯的效果.介紹如下.

2教具的材料及制作

2.1模擬砂輪實(shí)驗(yàn)

制作材料：方木板,白色水寫布,薄鋁片,電動(dòng)機(jī),帶開關(guān)的電池盒，廢舊光驅(qū),光盤.

制作過程：

(1)利用木工開孔器在木板中心位置開一個(gè)直徑約為5 cm的圓孔.

(2)拆解廢舊光驅(qū)，拆下光驅(qū)驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的光盤托架.

(3)用薄鋁片制作一個(gè)電機(jī)安裝支架，用2.5 mm的短螺絲將電機(jī)固定在薄鋁片上，并將光盤托架裝在直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上.

(4)將白色水寫布平鋪在木板上，用雙面膠和膠布固定，并在中心位置開適當(dāng)?shù)目?

(5)將薄鋁片支架安裝在木板背面，電動(dòng)機(jī)盡量處于圓孔的中心位置，將電池盒安裝在木板邊緣，并用導(dǎo)線連接電動(dòng)機(jī).

實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示.

圖3　模擬砂輪實(shí)驗(yàn)裝置的正反兩面

實(shí)驗(yàn)過程：

將實(shí)驗(yàn)裝置水平放置，利用投影儀將裝置投影在屏幕上，將光盤放置在光盤托架上，打開電動(dòng)機(jī)開關(guān)，當(dāng)光盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，用滴管向光盤上緩慢地滴加清水，此時(shí)水被甩到水寫布上，可清楚地看到水滴飛出的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4所示，效果十分明顯.

圖4　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：

(1)避免了“砂輪實(shí)驗(yàn)”帶來的問題；

(2)實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)操作；

(3)避免了使用墨水，實(shí)驗(yàn)比較“干凈”；

(4)學(xué)生可以自己操作，而不是只是看實(shí)驗(yàn).

2.2彎曲軌道實(shí)驗(yàn)

制作材料：木板,1 cm厚的廣告泡沫板,廢舊機(jī)械式鼠標(biāo),水寫布,斜槽,PVC布線槽.

制作過程：

(1)按圖5所示，將廣告泡沫板切割成8塊，使其能夠組合成一個(gè)S型的軌道.

圖5　“S”型軌道

(2)將水寫布平鋪在木板上，并用雙面膠和膠布固定.

(3)拆解廢舊鼠標(biāo)，取出其中的滾球.

(4)在木板的上下兩邊各安裝一個(gè)木條，木條之間的間距為：放入組合泡沫板時(shí)，S型軌道間距比滾球直徑略大，使?jié)L球能夠在軌道上自由運(yùn)動(dòng).

(5)將斜槽安裝在木板左端，斜槽的末端與S型軌道的一端相切.

(6)截取一段與木板寬度相同的PVC布線槽，安裝在木板的右端，作為滾球的回收槽，防止?jié)L球從木板上飛出.

制作完成的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示.

圖6　彎曲軌道實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)過程：

(1)將8塊木板組合成“S”的軌道，木板之間要緊貼.

(2)使沾水的滾球從斜槽上端自由滾下，在水寫布上留下“S”形狀的軌跡.

(3)拆下上下對(duì)應(yīng)的4號(hào)兩塊木板，使沾水的滾球從斜槽上端自由滾下，發(fā)現(xiàn)小球從末端沿軌跡的的切線方向離開.

(4)依次拆下，3號(hào)和2號(hào)對(duì)應(yīng)木板，重復(fù)步驟(3)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖7所示.

圖7　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：

(1)選用機(jī)械鼠標(biāo)的滾球——包裹橡膠的鐵球，避免了小鋼球不沾水的問題；

(2)使用清水和水寫布來顯示小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，使操作變得簡(jiǎn)單和干凈；

(3)可拆卸組合木板演示小球在多點(diǎn)處的速度方向；

(4)開放的軌道，學(xué)生可直接觀察小球的運(yùn)動(dòng)和水寫布上留下的軌跡.

以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，取材容易，制作簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)捷，直接描跡，借助實(shí)物投影儀或攝像頭可以讓學(xué)生直接觀察實(shí)驗(yàn)的整個(gè)動(dòng)態(tài)演示，大大提高了實(shí)驗(yàn)的演示效果，能給學(xué)生留下深刻的印象.實(shí)驗(yàn)在水寫布上留下的痕跡經(jīng)過10 min左右的時(shí)間自動(dòng)消失，實(shí)驗(yàn)的可視性、重復(fù)性好.

3后記——材料尋找與制作

本文所述的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中用到的一些材料可能不太容易找到，比如白色的水寫布.在文具店能買到的水寫布基本上是帶有“米字格”等圖案的，對(duì)實(shí)驗(yàn)軌跡的觀察帶來一定的影響，使得實(shí)驗(yàn)的效果不佳.白色水寫布是筆者從淘寶網(wǎng)上購(gòu)買的，而且價(jià)格比較便宜.其實(shí)網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物對(duì)我們廣大物理教師在制作教具時(shí)帶來了極大的便利，基本上很多實(shí)驗(yàn)材料都能在淘寶等網(wǎng)站上購(gòu)買到.筆者就買過各種電學(xué)元件、各種類型和大小的磁鐵等.有時(shí)一些材料的加工也可以交給專業(yè)人員處理，教師可以根據(jù)自己的教學(xué)需要，清晰地做出設(shè)計(jì)和要求即可，比如“S”型軌道的制作，筆者就是在淘寶上給出設(shè)計(jì)圖之后交給專門制作廣告字的店家制作的.

新時(shí)代下我們物理教師進(jìn)行教具制作也應(yīng)該有新的模式，教師更應(yīng)關(guān)注實(shí)驗(yàn)方案的創(chuàng)新、實(shí)驗(yàn)效果的改進(jìn)、新型實(shí)驗(yàn)材料的尋找.

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. 義務(wù)教育課程標(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

2王憲收.確定“曲線運(yùn)動(dòng)速度的方向”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn).物理通報(bào),2006(8):58～59

3馬功平.“曲線運(yùn)動(dòng)”演示裝置的制作.物理實(shí)驗(yàn),2009,29(6):22～23