戎 杰 胡科杰 葉 春

(浙江省慈溪中學(xué),浙江 寧波 315300)

黨的二十大對(duì)“著力造就拔尖創(chuàng)新人才”提出了更高的要求,創(chuàng)新人才的培育離不開(kāi)創(chuàng)新思維的發(fā)展.創(chuàng)新思維是指從全新的角度看待問(wèn)題,以新穎的方法解決問(wèn)題,產(chǎn)生積極的、有社會(huì)意義的思維成果.而高中物理教學(xué)的重要任務(wù)即通過(guò)創(chuàng)新型課程的開(kāi)展,發(fā)展高階創(chuàng)新思維,提升必備核心素養(yǎng).

“超重和失重”問(wèn)題是普通高中物理課程《必修第2冊(cè)》第6章第4節(jié)“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”中的教學(xué)重點(diǎn),教師往往通過(guò)研究生活中的典型情境：汽車(chē)過(guò)凹凸橋問(wèn)題,分析汽車(chē)過(guò)凹橋最低點(diǎn)及凸橋最高點(diǎn)時(shí)的超失重狀態(tài),從而引導(dǎo)學(xué)生加深對(duì)豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí),提高圓周運(yùn)動(dòng)模型建構(gòu)的能力.那么,如何直觀呈現(xiàn)汽車(chē)在凹橋最低點(diǎn)(凸橋最高點(diǎn))所受重力和支持力的大小關(guān)系,進(jìn)而完成定量探究過(guò)程,這是留給物理教師的工作.

1 數(shù)字秤式凹凸橋演示器

筆者查閱了現(xiàn)在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室使用較多的“凹凸橋演示器”,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 數(shù)字秤式凹凸橋演示器

實(shí)驗(yàn)裝置：數(shù)字秤、凹凸橋軌道、電磁鐵、鋼球、接收盒等幾部分組成.

實(shí)驗(yàn)原理：電磁鐵接通電源,吸附鋼球靜止于軌道最高點(diǎn),整個(gè)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài),測(cè)出凹凸橋軌道和鋼球的總重力G1;電磁鐵斷開(kāi)電源失磁,鋼球從軌道最高點(diǎn)滾下,依次通過(guò)凹橋最低點(diǎn)和凸橋最高點(diǎn);用數(shù)字秤測(cè)出鋼球通過(guò)凹橋最低點(diǎn)和凸橋最高點(diǎn)的壓力分別為G2、G3.通過(guò)比較G2和G1、G3和G1的大小關(guān)系,確定鋼球在凹橋最低點(diǎn)和凸橋最高點(diǎn)的超(失)重狀態(tài).

此裝置的優(yōu)點(diǎn)如下.

(1) 鋼球在靜止時(shí)、凹橋最低點(diǎn)、凸橋最高點(diǎn)的壓力大小都可用數(shù)字秤直觀顯示,超(失)重判斷理論依據(jù)充分.

(2) 電磁鐵通電后產(chǎn)生磁力吸附作用,可確保鋼球每次在軌道上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程完全相同(初位置相同、初速度均為0),運(yùn)動(dòng)到凹橋最低點(diǎn)、凸橋最高點(diǎn)的速度、壓力也完全相同.

然而筆者在實(shí)驗(yàn)操作中發(fā)現(xiàn),上述裝置可操作性不強(qiáng).鋼球完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的時(shí)間極短,數(shù)字秤的指針快速晃動(dòng),很難在某一次運(yùn)動(dòng)中精確測(cè)定鋼球在凸橋最高點(diǎn)、凹橋最低點(diǎn)對(duì)軌道的壓力,尤其是鋼球在凸橋最高點(diǎn)對(duì)軌道的壓力小于重力的現(xiàn)象十分不明顯.

2 力傳感器式凹凸橋演示器

基于此,筆者對(duì)上述裝置做了改進(jìn)與創(chuàng)新,利用朗威力傳感器測(cè)量鋼球?qū)Π纪箻虻膲毫Υ笮?如圖2所示.

圖2 力傳感器式凹凸橋演示器

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

傾斜軌道、鋼球、平橋、凹橋、凸橋、豎直鐵板、附有強(qiáng)磁鐵的光電門(mén)、升降臺(tái)、朗威力傳感器、接收盒、朗威DISlab 8.1軟件.

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置(如圖3所示)

圖3 裝置示意圖

2.3 實(shí)驗(yàn)原理

把數(shù)字秤改為朗威力傳感器,固定在凹凸橋下端,利用力傳感器精確測(cè)量鋼球?qū)ζ綐颉紭蜃畹忘c(diǎn)、凸橋最高點(diǎn)的壓力大小.傳感器下端固定在升降臺(tái)上(可以調(diào)節(jié)豎直高度),通過(guò)調(diào)節(jié)升降臺(tái)高度,使左右兩部分軌道平滑拼接在一起,鋼球的運(yùn)動(dòng)從而可看成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng).光電門(mén)放置在橋的上方,當(dāng)鋼球經(jīng)過(guò)光電門(mén)時(shí),測(cè)量擋光時(shí)間t,橋的后側(cè)豎直放置一塊鐵板,光電門(mén)側(cè)面安裝強(qiáng)磁鐵,可以配合凹凸橋及升降臺(tái)的高度,靈活固定在豎直鐵板上的任意位置.通過(guò)測(cè)量鋼球?qū)?種橋的壓力大小F,明確超(失)重規(guī)律;通過(guò)測(cè)量鋼球通過(guò)3種橋時(shí)的擋光時(shí)間t(可反映瞬時(shí)速度v的大小關(guān)系),進(jìn)一步比較壓力與速度大小的關(guān)系.

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 把平橋力傳感器固定在升降臺(tái)橫桿上,調(diào)節(jié)升降臺(tái)的高度,使平橋和左側(cè)軌道緊密銜接.在軌道后側(cè)豎直放置鐵板,在上方合適位置固定光電門(mén),使光電門(mén)的信號(hào)發(fā)射孔對(duì)準(zhǔn)鋼球滾過(guò)該位置的球心高度.

(2) 將鋼球放在平橋上,讀出鋼球靜止時(shí)力傳感器的示數(shù)F0,即鋼球的重力大小G.

(3) 使小球從傾斜軌道某一高度靜止釋放,獲得一定速度,測(cè)量鋼球通過(guò)平橋時(shí)光電門(mén)的擋光時(shí)間t1,力傳感器的示數(shù)F1,即鋼球?qū)ζ綐虻膲毫Υ笮?比較F1與G的大小關(guān)系,確定鋼球在平橋運(yùn)動(dòng)的超(失)重狀態(tài).

(4) 把平橋換為凹橋,用同樣的方法測(cè)量鋼球通過(guò)凹橋最低點(diǎn)時(shí)光電門(mén)的擋光時(shí)間t2,力傳感器的示數(shù)F2,即鋼球?qū)Π紭蜃畹忘c(diǎn)的壓力大小.比較F2與G的大小關(guān)系,確定鋼球在凹橋最低點(diǎn)的超(失)重狀態(tài)(如圖4所示).

(5) 把凹橋換為凸橋,用同樣的方法測(cè)量鋼球通過(guò)凸橋最高點(diǎn)時(shí)光電門(mén)的擋光時(shí)間t3,力傳感器的示數(shù)F3,即鋼球?qū)ν箻蜃罡唿c(diǎn)的壓力大小.比較F3與G的大小關(guān)系,確定鋼球在凸橋最高點(diǎn)的超(失)重狀態(tài)(如圖5所示).

圖4 凹橋最低點(diǎn)的壓力和擋光時(shí)間

圖5 凸橋最高點(diǎn)的壓力和擋光時(shí)間

(6) 在鋼球直徑確定的情況下,比較擋光時(shí)間t1、t2、t3,得知通過(guò)光電門(mén)的瞬時(shí)速度v1、v2、v3大小關(guān)系(擋光時(shí)間越長(zhǎng),瞬時(shí)速度越小),結(jié)合F1、F2、F3大小關(guān)系,最終確定通過(guò)不同橋時(shí)壓力和瞬時(shí)速度的大小關(guān)系.

2.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(如表1所示)

表1

2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

(1) 在平橋?qū)嶒?yàn)中,測(cè)得F1=F0=0.69 N,說(shuō)明鋼球通過(guò)平橋時(shí),既不超重也不失重,且壓力大小始終等于重力大小,與擋光時(shí)間無(wú)關(guān).

(2) 在凹橋?qū)嶒?yàn)中,測(cè)得鋼球兩次通過(guò)凹橋最低點(diǎn)時(shí)的壓力F2分別為1.45 N和1.58 N,均大于鋼球重力,說(shuō)明鋼球處于超重狀態(tài).此外,擋光時(shí)間越短,瞬時(shí)速度越大,壓力越大.

(3) 在凸橋?qū)嶒?yàn)中,測(cè)得鋼球兩次通過(guò)凸橋最高點(diǎn)時(shí)的壓力F3分別為0.53 N和0.34 N,均小于鋼球重力,說(shuō)明鋼球處于失重狀態(tài).此外,擋光時(shí)間越長(zhǎng),瞬時(shí)速度越小,壓力越大.

3 結(jié)語(yǔ)

本套力傳感器式凹凸橋演示器利用數(shù)字化軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和處理能力,有效突破教學(xué)難點(diǎn),解決了數(shù)字秤式凹凸橋演示器鋼球運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)間短、指針晃動(dòng)劇烈、壓力大小難以精確測(cè)量的弊端,將其應(yīng)用于課堂教學(xué)之中,既能激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣,又能開(kāi)闊學(xué)生視野、發(fā)展創(chuàng)新思維、提升核心素養(yǎng).