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        利用自制教具改進“動能、勢能、機械能”實驗

        2021-02-02 05:42:38施邱瑾
        數(shù)理化解題研究 2021年2期
        關鍵詞:小桶重力勢能木塊

        施邱瑾

        (江蘇省如東新區(qū)初級中學 226400)

        物理是一門以實驗為基礎的學科.實驗教學貫穿于整個物理學習中,是物理教學的重要手段.物理實驗生動、鮮明、可見度高,不僅能向學生提供豐富的感性材料,而且能形象、直觀地揭示物理概念和物理規(guī)律的本質,進而激發(fā)學生學習熱情,促進學生能力提升.現(xiàn)行初中物理教材的大部分實驗操作性強、效果顯著,但也有少部分實驗,在實際操作中不易成功或現(xiàn)象不明顯,對物理教學產(chǎn)生一定的影響.筆者通過自身反復實踐,對蘇科版第十二章第一節(jié)《動能勢能機械能》的實驗裝置進行了一些改進與開發(fā),克服了原實驗裝置中的不足,提高了實驗的成功率,取得較好的課堂教學效果.

        一、教材裝置的缺陷分析

        1.動能影響因素探究實驗的不足

        如圖1所示,課本是以運動的小車為研究對象,木塊為觀察對象進行實驗探究的.這些實驗器材取材方便,但若學生實驗,會存在以下幾個問題:

        (1)實驗中小車運動的軌跡不一定是直線,會出現(xiàn)偏離軌道或無法保證成功撞擊到木塊中心;

        (2)車從斜面上運動到水平面時有撞擊,能量有所損失,加之木塊質量較大,木塊被推出的距離短,做功現(xiàn)象不明顯;

        (3)用一個木板進行實驗探究,只能觀察到一次現(xiàn)象,對木塊移動距離的比較不是很直觀.

        2.重力勢能影響因素探究實驗的不足

        如圖2所示,課本是以“模擬打樁”的活動,以木塊為重錘,小桌為樁,通過小桌子陷入沙坑中的深度來反映重力勢能的大小.但本實驗有也有不足之處:

        (1)重錘從一定高度自由下落時,無法保證恰巧撞落在小桌中心,導致小桌歪斜,四只桌腿的下陷深度明顯不同,導致難以觀察或實驗無效;

        (2)小桌下陷距離現(xiàn)象不明顯,不管是測量還是做標記,比較時不很直觀.

        3.資源利用率低

        課本中的實驗器材比較多,準備起來比較麻煩.而且每個器材基本都是只用一次,無法達到重復使用的目的.

        二、實驗裝置的改進與創(chuàng)新

        出于以上問題的思考,基于對實驗直觀、明顯、簡單、可靠的改進原則,筆者對器材進行了如下的改進與創(chuàng)新.

        1.實驗器材準備

        器材:6mm直徑的不銹鋼管、30g塑料球一個、130g鋼球兩個、50g塑料瓶兩個(裝有沙子)、彈簧、直徑60mm的塑料小桶、不銹鋼文具夾、木夾子等,見圖3.

        制作:①截取4根1米長的不銹鋼管,按比例制成一部分水平一部分傾斜的兩列平行導軌,斜面與水平面約成30°,銜接處壓制成圓弧狀.②將直徑60mm的塑料小桶沿一直徑進行穿孔(位置在開口附近處),用銅絲將兩不銹鋼文具夾反方向固定在兩開口處,如圖4所示.

        2.探究動能大小的影響因素

        本裝置以小球代替小車,瓶子代替木塊,通過瓶子被球推出的距離反映動能的大小.圖5為“探究動能大小與速度關系”的過程,圖6為“探究動能大小與質量關系”的過程,均取得較為理想的教學效果.

        改進后的優(yōu)點:

        (1)軌道保證了小球的運動路線,確保小球準確無誤撞擊到瓶子中心;

        (2)可以通過裝有沙子多少控制瓶子的質量,使球始終推動瓶子向前運動,不會在推動過程中反彈,且鋼球推動瓶子運動距離長,做功現(xiàn)象非常明顯;

        (3)雙軌設計可使兩球同時實驗,現(xiàn)象更直觀明顯,直接比較,無須測量或作標記;

        (4)可以直觀的演示信息快遞中的內容,使學生對于“從斜面同一高度靜止釋放的小球會不會因質量不等而速度不同”的疑慮消除.

        3.探究重力勢能大小的影響因素

        如圖7所示,把裝置豎直放置,利用文具夾將直徑為60mm的塑料小桶安裝在中間的大軌道,塑料小桶可上下活動.將塑料小桶比作樁,將小球比作重錘,即可以進行重力勢能影響因素的探究實驗.

        (1)探究重力勢能大小與高度的關系(如圖8所示)

        將一個鋼球從不同高度自由釋放,觀察小桶被球推落距離的長短,利用木夾子作標記展示出小桶下落距離,直觀比較兩球重力勢能的大小.

        (2)探究重力勢能大小與質量的關系(如圖9所示)

        將一個鋼球與一個塑料球從同一高度自由釋放,觀察小桶被球推落距離的長短,根據(jù)木夾子標記位置比較兩球重力勢能的大小.

        改進后的優(yōu)點:

        (1)可視度高:能清晰看出小球使桶下落了一段距離,做功現(xiàn)象明顯;

        (2)操作容易:小球只要落入瓶中,不用擔心瓶子歪斜不易比較的問題;

        (3)便于對比:通過夾子做標記,可容易控制小球下落的高度相同或不同,同時直觀地比較小桶下落距離的長短.

        4.探究彈性勢能大小的影響因素

        在水平軌道尾部卡一彈簧(將彈簧焊接一鐵片,將鐵片壓制出一凹槽鑲嵌在尾部支架上,以增強彈簧穩(wěn)定性),用瓶子壓彈簧,使彈簧的彈性形變大小不同,松手后觀察瓶子被彈出的距離,即可演示物體彈性勢能與彈性形變大小的關系,見圖10、圖11所示.

        5.觀察動能和勢能的相互轉化

        在水平軌道的末端固定彈簧,讓鐵球從坡頂自由滾入水平軌道,觀察到球滾動至水平軌道末端,與彈簧碰撞后球又被反彈的過程,說明動能與勢能之間可以相互轉化,如圖12所示.

        以上實驗裝置的改進,與教材實驗裝置相比,實驗操作簡單,能清晰顯示實驗現(xiàn)象,直觀、完整地證明物理規(guī)律.而且創(chuàng)新裝置彌補了教材實驗組合的不足,一個器材可做多個實驗,利用率高,起到節(jié)時高效的教學效果.

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