劉召新

(余姚市第四中學(xué) 浙江 寧波 315400)

1 制作背景

經(jīng)過多年的高中物理教學(xué)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，有些重難點(diǎn)的知識(shí)教學(xué)突破，只用理論探究的方法學(xué)生總感覺太抽象，難以理解，例如，“正負(fù)功的意義”“變加速運(yùn)動(dòng)的理解”等.鑒于此，筆者歷經(jīng)多年制作了能實(shí)驗(yàn)探究這些重難點(diǎn)的自制教具，不但輔助了理論教學(xué)，而且填補(bǔ)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)教具的空白.在實(shí)際教學(xué)時(shí)取得了很好的效果，值得推廣應(yīng)用.

2 教具的制作原理和方法

利用輕彈簧、軌道小車組成系統(tǒng).彈簧的彈性勢(shì)能與小車的動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化，從而探究機(jī)械能的守恒問題.將電火花計(jì)時(shí)器的兩個(gè)電極分別連接在小車與鋁合金軌道上，從而通過打點(diǎn)留跡記錄小車的運(yùn)動(dòng)情況，探究變加速運(yùn)動(dòng)問題，如圖1所示.

圖1 自制多功能教具實(shí)驗(yàn)裝置

(1)選用光滑的鋁合金軌道，在中間位置固定一個(gè)“U型門”，用“門梁”懸掛輕彈簧的上端.

(2)自然下垂的輕彈簧下端連接小車，小車與軌道之間盡量光滑.

(3)電火花計(jì)時(shí)器固定在裝有電磁鐵的一端，把電火花計(jì)時(shí)器的高壓電極分別加在小車和軌道上，調(diào)節(jié)兩個(gè)電極間的距離，確保小車經(jīng)過的位置都能穩(wěn)定打點(diǎn)留跡.

(4)在軌道上安裝調(diào)節(jié)水平的液泡，小車運(yùn)行的末端安裝剎車裝置.

3 教具在實(shí)際教學(xué)的應(yīng)用

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

(1) 將本實(shí)驗(yàn)裝置放在水平桌面上，將電火花計(jì)時(shí)器接通電源.

(2)將軌道小車與軌道平滑接觸，調(diào)節(jié)軌道下端的平衡螺母，對(duì)小車進(jìn)行補(bǔ)償阻力.

(3)把輕彈簧下端與軌道小車連接.

3.2 功能一 探究力做正負(fù)功的意義

(1)力F對(duì)小車做正功的實(shí)驗(yàn)探究

如圖2所示，彈簧拉力F的方向與小車位移L方向夾角θ成銳角，則WF=FLcosθ>0，F(xiàn)做正功.小車的運(yùn)動(dòng)情況如圖3 所示，對(duì)紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,記錄如表1所示.

圖2 F與L成銳角θ

圖3 F與L成銳角θ時(shí)小車的運(yùn)動(dòng)

表1 力F對(duì)小車做正功時(shí)對(duì)紙帶的數(shù)據(jù)記錄

結(jié)論：相同時(shí)間內(nèi)位移在增大，說明小車做加速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而說明力做正功使物體速度增大，是動(dòng)力.

(2)力F對(duì)小車做負(fù)功的實(shí)驗(yàn)探究

如圖4所示，彈簧拉力F的方向與小車位移L方向夾角θ成鈍角，則WF=FLcosθ<0，F(xiàn)做負(fù)功.小車的運(yùn)動(dòng)情況如圖5 所示，對(duì)紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、記錄如表2所示.

圖4 F與L成鈍角θ

圖5 F與L成鈍角θ時(shí)小車的運(yùn)動(dòng)

表2 力F對(duì)小車做負(fù)功時(shí)對(duì)紙帶的數(shù)據(jù)記錄

結(jié)論：相同時(shí)間內(nèi)位移在減小，說明小車做減速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而說明力做負(fù)功使物體速度減小，是阻力.

3.3 功能二 探究變加速運(yùn)動(dòng)

對(duì)表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，如表3所示.同理，再對(duì)表2的數(shù)據(jù)加以分析(略).

表3 對(duì)表1數(shù)據(jù)分析

結(jié)論：相同時(shí)間內(nèi)位移差在減小，據(jù)Δx=aT2可知，a在減小,即小車做加速度減小的加速直線運(yùn)動(dòng).相同時(shí)間內(nèi)位移差在增大，據(jù)Δx=aT2可知，a在增大，即小車做加速度增大的加速直線運(yùn)動(dòng).

3.4 功能三 探究機(jī)械能轉(zhuǎn)化和守恒

小車和彈簧組成的系統(tǒng)，彈性勢(shì)能與動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化.如圖6所示，彈簧伸長(zhǎng)時(shí)將小車由靜止釋放，運(yùn)動(dòng)的小車具有的動(dòng)能由彈簧減小的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化而來；如圖7所示，運(yùn)動(dòng)的小車把彈簧由原長(zhǎng)逐漸拉長(zhǎng)，彈簧增加的彈性勢(shì)能由小車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來.該過程重復(fù)往返，直觀反映了彈性勢(shì)能與動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化.通過進(jìn)一步觀察分析小車所能到達(dá)的位置，還可以探究機(jī)械能的守恒問題.

圖6 彈性勢(shì)能向動(dòng)能轉(zhuǎn)化

圖7 動(dòng)能向彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化

3.5 功能四 粗測(cè)彈簧的勁度系數(shù)κ值

如圖8所示，小車和彈簧組成的系統(tǒng)，小車靜止時(shí)，動(dòng)能Ek=0，系統(tǒng)的勢(shì)能Ep最大，彈簧的長(zhǎng)度為x1，彈簧的原長(zhǎng)x0，則彈簧的形變量

x=x1-x0

彈簧的彈性勢(shì)能

圖8 彈簧的長(zhǎng)度變化

當(dāng)彈簧原長(zhǎng)狀態(tài)時(shí)，勢(shì)能Ep=0，動(dòng)能Ek最大.如圖9所示，分析紙帶找出紙帶上速度最大的記數(shù)點(diǎn)“15”，利用瞬時(shí)速度的計(jì)算方法求出速度v，則小車的動(dòng)能

彈性勢(shì)能Ep完全轉(zhuǎn)化為動(dòng)能Ek.據(jù)

可以計(jì)算出

圖9 小車的最大速度

從能量的角度測(cè)量彈簧的勁度系數(shù)κ，是一種全新的方法，能啟發(fā)學(xué)生對(duì)能量角度研究問題的深入思考，引導(dǎo)學(xué)生健全能量角度解決問題的思路.

4 該自制教具的優(yōu)點(diǎn)

我們自制的教具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)利用常規(guī)器材，巧妙制作而成.

(2)巧用“火花放電”打點(diǎn)留跡，清晰記錄運(yùn)動(dòng)過程，實(shí)驗(yàn)效果顯著.

(3)“一器多用”，實(shí)驗(yàn)功能多種，巧妙攻克物理教學(xué)重難點(diǎn)問題.

(4)教具簡(jiǎn)潔便攜，操作方便，適合實(shí)際教學(xué)需要.