黎明

(余姚市夢麟中學 浙江 寧波 315400)

1 設計背景

2 實驗裝置和原理

功率與牽引力、速度的關系演示儀結構如圖1所示，儀器主體框架是利用實驗室的長木板和木質米尺制作而成的，側面貼有長條的金屬板，左端是一輛自制的小車，小車上配有放電針，放電針與金屬板和電火花計時器的正負極相連，放電針與金屬板之間產(chǎn)生火花放電可以在熱敏紙上打出點跡，記錄小車的運動過程，右端是一臺小電動機用來牽引小車前進，使小車先加速達到最大速度后勻速運動，研究小車達到最大速度時的速度v,牽引力F和電動機輸出功率P之間的定性關系.利用此裝置可以演示以下3個實驗.

圖1 功率與牽引力、速度的關系演示儀結構

實驗一：保持電動機輸出功率P基本不變，研究牽引力F和小車速度v之間的關系.

在電動機輸出功率P基本不變的前提下，依次調節(jié)高度調節(jié)器的高度，使軌道的傾角依次增大，從而增大每次小車運動過程中達到最大速度時的牽引力F，比較小車速度變化情況.

實驗二：保持牽引力F不變，研究電動機輸出功率P和小車速度v之間的關系.

保持斜面傾角不變，使小車以最大速度勻速運動時牽引力F保持不變，通過調高電壓依次增大電動機的輸出功率，比較小車速度變化情況.

實驗三：模擬汽車低擋上坡.

通過切換如圖2所示的大皮帶輪和小皮帶輪，使學生直觀感受低速擋和高速擋的區(qū)別.

圖2 大皮帶輪和小皮帶輪

3 教具制作過程中的幾點說明

(1)這個實驗首先要保證小車所受阻力在一次運動過程中保持不變，而我們日常用的軌道小車，如火車側邊輪軌道、凹形槽軌道，實驗都不成功.因為輪子的側面容易與軌道的側面相互摩擦，而且這個力帶有偶然性，不可控，無法保證小車最后做勻速直線運動.為此在筆者多次研究之后，發(fā)現(xiàn)“4個側面小滑輪”(圖3)定位的方法相對較好，并且在小車的4個輪子處加裝了滾珠軸承(圖4)，使小車在運動過程中的阻力更加穩(wěn)定.

圖3 4個側面小滑輪

圖4 加裝滾珠軸承

(2)將放電針和金屬板與電火花計時器的正負高壓脈沖相連，通過放電針和金屬板間的火花放電實現(xiàn)在熱敏紙帶上打點，設計的放電針如圖5所示.這是一個3個方向可調的放電針，能迅速地調節(jié)放電針的位置，實現(xiàn)一條熱敏紙上能打出多條軌跡，便于比較小車運動的快慢.

圖5 放電針的設計

(3)本教具通過兩路光控繼電器模塊，對電動機和電火花計時器的工作進行了自動控制，自動控制的開關是如圖6所示的兩個光敏電阻，打開遮光板光敏電阻接受光照，電動機和電火花計時器開始工作，當小車運動到軌道末端時不透光的車身剛好遮住兩個光敏電阻，使電動機和電火花計時器停止工作，也防止了電動機因堵轉而燒壞.

圖6 光敏電阻自動控制開關

(4)本實驗的一個關鍵點是如何保持電動機輸出功率不變.根據(jù)電動機的輸出功率計算公式

P=UI-I2R

(R=9.0 Ω,U=2.87 V)作出輸出功率P與電流I之間的關系圖像如圖7所示.

在圖像頂點附近輸出功率變化十分微小.同時本實驗利用電壓和電流傳感器采集電壓、電流數(shù)據(jù)，然后通過公式計算電動機的輸出功率，如圖8所示.通過大量的實驗證明，本教具的高度調節(jié)器在一定的高度范圍內調節(jié)，可以將電動機的輸出功率控制在0.220～0.228 W之間，從而實現(xiàn)電動機輸出功率基本不變.

圖7 P-I圖

圖8 電壓和電流傳感器

(5)本實驗雖然用的是電火花計時器的高壓脈沖輸出，但是絕大部分高壓區(qū)域均有絕緣體包裹，并且絕大部分的操作是在斷開高電壓的情況下，唯一的高電壓接通時的操作就是轉動遮光板，此操作遠離高電壓區(qū)域，因此本儀器是絕對安全的.

4 實際教學探究過程

實驗一：保持電動機輸出功率P基本不變，研究牽引力F和小車速度v之間的關系.

第一步，打開電源，將恒壓電源調節(jié)到2.87 V，將高度調節(jié)器調節(jié)到一定高度.

第二步，轉動遮光板使電火花計時器和電動機開始工作，牽引小車先向前加速，達到最大速度后勻速運動.

第三步，小車以最大速度運動一段距離之后，會運動到光敏電阻R1和R2所在位置，此時不透光的車身會將兩個光敏電阻先后擋住，這樣電火花計時器和電動機就會先后停止工作，小車完全停止后，轉動遮光板，擋住光源，并將小車拉回起點.

第四步，每次將高度調節(jié)器調高一定的高度，并將放電針尖端位置向下調節(jié)一段距離，繼續(xù)實驗.

5次實驗之后獲得紙帶如圖9所示.

圖9 5次實驗后獲得的紙帶

通過圖9所示的紙帶可以得到結論：在誤差允許范圍內，當電動機輸出功率P保持不變時，小車勻速時的速度v隨著小車牽引力F的增大而減小.

實驗二：保持牽引力F不變，研究電動機輸出功率P和小車速度v之間的關系.

第一步，打開總電源和恒壓電源，將恒壓電源調節(jié)到2.44 V，將高度調節(jié)器調節(jié)到一定高度不變.

第二步，轉動遮光板使電火花計時器和電動機開始工作，牽引小車先向前加速，達到最大速度后勻速運動.

第三步，小車以最大速度運動一段距離之后，會運動到光敏電阻R1和R2所在位置，此時不透光的車身會將兩個光敏電阻先后擋住，這樣電火花計時器和電動機就會先后停止工作，小車完全停止后，轉動遮光板，擋住光源，并將小車拉回起點.

第四步，每次將恒壓電源的電壓調高一定值，并將放電針尖端位置向下調節(jié)一段距離，繼續(xù)實驗.

4次實驗之后獲得紙帶如圖10所示.

圖10 4次實驗后獲得的紙帶

通過圖10所示的紙帶可以得到結論：在誤差允許范圍內，當牽引力F保持不變時，小車勻速時的速度v隨著電動機輸出功率的增大而增大.

實驗三：模擬汽車低擋上坡.

將高度調節(jié)器調節(jié)到一定高度，使得大皮帶輪無法拉動小車前進.保證其他條件不變將牽引線切換到小皮帶輪，小皮帶輪可以拉動小車前進.

5 實際課堂教學效果

通過實驗探究教學，改變了原本灌輸式的理論探究教學和沉悶的課堂氣氛，激發(fā)了學生的學習興趣，教具中用到的器材和實驗原理是高中學生比較熟悉的，學生容易接受，有助于教學的順利進行.

學生經(jīng)過具體的實驗探究，對功率P，牽引力F和速度v的關系有了一定的了解.通過這個實驗學生建立了功率與牽引力、速度關系的物理模型，也培養(yǎng)了學生的科學探究能力，學生具備相應的能力之后再回到理論探究，就相對容易接受，并且理論推導的結論也與實驗結論相印證，增加了實驗的說服力.從課后反饋的角度來看，學生對于這個知識點的掌握相較于往屆學生要好許多.

實驗三模擬了汽車上坡起步的實際問題，學生見過實際模型之后對這類問題的理解更加深刻了，解決實際問題也更加得心應手.

6 結束語

本實驗儀器是以實驗室中一些常用的儀器為基礎制作而成的，同時為了操作上的簡潔和方便，應用了兩路光控繼電器模塊，增加了自動化的控制功能，大大縮短了實驗操作的時間，在實際的教學探究中取得了非常好的效果，將原本沉悶的理論探究課堂，變成了學生非常感興趣的實驗探究，加深了學生對“功率與速度”這一關系的印象.可見作為物理教師應該多從實驗的角度進行思考，多設計一些能提升學生學習興趣，幫助學生建立物理模型以及培養(yǎng)學生科學探究能力的實驗，只有這樣才能展現(xiàn)物理的美，才能吸引更多的學生，才能把培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)真正落到實處.

最后，本教具在2018年浙江省中小學優(yōu)秀自制教具終評活動中榮獲浙江省二等獎.