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        巧制多功能教具探究物理重難點(diǎn)

        2021-11-06 04:00:08劉召新
        物理通報(bào) 2021年11期
        關(guān)鍵詞:紙帶勢(shì)能教具

        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.

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