江瑩

【摘要】針對高中物理傳統(tǒng)實驗中存在的一些不足之處，包括傳送帶問題在教學(xué)中缺乏實驗演示、現(xiàn)有測靜摩擦力實驗設(shè)計復(fù)雜不利于學(xué)生理解，以及驗證動能定理實驗無法定量測量做功數(shù)值的問題，利用傳送帶結(jié)合傳感器、絲桿滑臺和示波屏幕制作出新型教具，演示三個實驗：傳送帶—滑塊實驗、測摩擦力實驗、驗證動能定理實驗.實驗結(jié)果表明，新型教具效果明顯，可以提高教師課堂演示實驗的效率，并為學(xué)生提供更豐富的探究實驗項目，有助于優(yōu)化物理新課教學(xué)和習(xí)題研究的教學(xué)設(shè)計和方法.

【關(guān)鍵詞】高中物理；實驗教學(xué)；自制教具

物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》凝練了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，進一步強調(diào)了實驗教學(xué)的地位和作用.然而，鑒于傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的不足，教師應(yīng)當(dāng)在教學(xué)實踐中動態(tài)生成更高效的實驗方案，自制更符合本校學(xué)生學(xué)情的教具，優(yōu)化與提升實驗教學(xué)質(zhì)量.筆者根據(jù)本校學(xué)生的情況，研制了一套多功能傳送帶實驗演示儀，可以演示三個實驗：傳送帶—滑塊實驗、測摩擦力實驗、驗證動能定理實驗，在習(xí)題情境實驗、課本演示實驗改進、概念規(guī)律突破補充實驗這幾個方面做出了嘗試，實驗效果明顯，有助于教師開展實驗化習(xí)題教學(xué)和演示實驗及為學(xué)生進行探究性實驗研究提供更便捷的實驗器材，有助于優(yōu)化物理新課教學(xué)和習(xí)題研究的教學(xué)設(shè)計和方法.

1 傳送帶—滑塊實驗

1.1 問題的提出

高中物理必修一的運動學(xué)課程里，有一類傳送帶運送滑塊的經(jīng)典習(xí)題，也是高考備考的熱點習(xí)題.該類型習(xí)題涉及復(fù)雜的物理情境：傳送帶是水平的或傾斜的，滑塊的初速度方向與傳送帶的運行方向相同或相反，滑塊滑上傳送帶后，運動情況可能是一直勻速、一直加速、一直減速、先減速后勻速、先加速后勻速、先向前減速后加速返回等多種運動狀態(tài).滑塊的初速度與傳送帶的運行速度的不同組合導(dǎo)致滑塊的運動性質(zhì)復(fù)雜多樣.要解決這類問題，需要深入分析，除了要熟練掌握物理規(guī)律，還要在頭腦中構(gòu)建一個清晰的動態(tài)情境圖形，要詳細(xì)地描繪出滑塊在傳送帶上的每一個運動階段，包括初速度、傳送帶的速度、摩擦力、加速度等參數(shù)如何影響滑塊的運動軌跡.

然而，由于缺乏生活經(jīng)驗，許多學(xué)生可能從未見過傳送帶，或者只見過貨物與傳送帶以相同速度運動的情況.這導(dǎo)致他們在分析此類問題時，往往會分析不全面，條理不清晰.而目前市場上并沒有任何相應(yīng)的教具能完整地演示這一情境，教師在課堂上往往只能用語言描述或者用模擬動畫來講解，學(xué)生也無法通過親自動手操作、實驗探究來理解和掌握這一復(fù)雜的物理現(xiàn)象.

為了解決該難題，筆者研制了傳送帶—滑塊實驗演示儀，如圖1所示.該演示儀能真實地演示出傳送帶傳送滑塊模型時的各種情境，教師授課時可以進行演示實驗，也可以讓學(xué)生進行動手探究式學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效果.

1.2 傳送帶—滑塊演示實驗的制作

1.2.1 滑塊與發(fā)射裝置的制作

筆者參考發(fā)球機的原理，設(shè)計了用雙輪發(fā)射滑塊的裝置，為了保證兩輪的轉(zhuǎn)速一致，采用單馬達通過齒輪傳動來帶動雙輪，防止因為雙輪速度不同導(dǎo)致滑塊發(fā)生旋轉(zhuǎn)而偏離直線軌跡，操作者通過PWM調(diào)速器給發(fā)射馬達調(diào)速，自由設(shè)置滑塊的初速度，從而將滑塊精準(zhǔn)地發(fā)射出去做直線運動.

筆者選擇了2.8cm×2.8cm×2.8cm的正方體木塊作為滑塊的主體，并在滑塊底部固定一塊不銹鋼墊片，以降低重心，提高滑行的穩(wěn)定性，最后在滑塊的最下面貼上一層聚四氟乙烯薄膜，以減小摩擦系數(shù)，這樣即使在滑塊的初速度較小時，也能明顯地演示出相對滑行的效果.

1.2.2 實時測量滑塊瞬時速度的方法

在傳統(tǒng)的實驗中，通常使用光電門來測量擋光時間，然后用擋光物體的大小除以擋光時間換算出瞬時速度.一個光電門只能測量一個特定的點，這意味著無法精確地追蹤和測量滑塊在整個過程中的速度變化，這也限制了實驗對物體動態(tài)運動的捕捉和解析.

市場上有DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）的實驗器材里有靈敏的位移傳感器，但這些傳感器通常需要固定在運動物體上，不適合需要演示物體自由滑動的情況.

鑒于此，筆者選用重復(fù)精度為1mm、反應(yīng)時間為1.5ms的激光測距傳感器BL-400NMW.這款傳感器的測距范圍為20～60cm，能夠全程、零接觸地測量滑塊的位移，將20～60cm距離值轉(zhuǎn)換為0～5V電壓值，非常方便地提供了更為精確的數(shù)據(jù).

筆者將激光測距傳感器固定在離發(fā)射輪60cm的正對面處，確保傳感器能夠完整地捕捉到滑塊的運動軌跡.每經(jīng)過0.02s，傳感器就會采集一次距離數(shù)據(jù).這些數(shù)據(jù)隨后通過特定的算法被轉(zhuǎn)換為瞬時速度.這種方法不僅提高了實驗的精度和準(zhǔn)確性，而且通過實時采集和計算，能夠更全面地了解滑塊在整個運動過程中的速度變化，從而為深入的物理研究提供了有力的數(shù)據(jù)支持.

由于滑塊的變速過程時間極短，僅看數(shù)據(jù)無法較快判斷出滑塊的運動性質(zhì)，筆者設(shè)計了在顯示屏上實時顯示滑塊的速度變化的波形，這樣實驗者就能快速直觀地展示出滑塊的運動性質(zhì).該實驗屏幕界面如圖2所示.

2 測摩擦力實驗

傳統(tǒng)的測量靜摩擦力實驗中，實驗者需要手持彈簧測力計來拉動物體.用這種方法由于彈簧測力計內(nèi)部的摩擦以及實驗者的手持不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致讀數(shù)不精確，并且難以靈敏地捕捉到靜摩擦力的細(xì)微變化.

有人使用了如圖3所示方式來改進這個實驗.雖然這樣解決了穩(wěn)定性問題，但這種方法拉力的作用對象改變了，實驗原理變復(fù)雜了，不利于教師講解與學(xué)生理解.麥克斯韋也說過，“一項演示實驗使用的材料越簡單，學(xué)生越熟悉，就越想徹底地獲得所驗證的結(jié)果，這種實驗的教育價值往往與儀器復(fù)雜程度成反比.”

因此筆者想制作一種能按照課本簡單的原理來演示，而又能穩(wěn)定靈敏地來展示靜摩擦力的變化圖線的實驗儀器.

為了解決上述問題，筆者將拉力傳感器固定在絲桿滑臺上，再將拉力傳感器通過細(xì)繩來牽拉物塊，如圖4所示.這樣能真實還原課本的直接拉物塊來測摩擦力的情境.使用時緩慢轉(zhuǎn)動絲桿滑臺的手輪，使拉力緩慢地增大，并將該力的大小通過傳感器測出在屏幕上顯示其變化波形，細(xì)致地反映出靜摩擦力隨著拉力增大而增大，達到最大靜摩擦力后，滑塊開始滑動，變?yōu)榛瑒幽Σ亮?，大小略有減小的變化過程.最后再開動傳送帶，讓傳送帶相對滑塊運動，而滑塊固定不動，演示出滑動摩擦力的大小情況，同時還能讓學(xué)生更好地理解判斷靜摩擦力與滑動摩擦力的條件.

3 動能定理實驗

傳統(tǒng)的動能定理實驗是通過橡皮筋彈射小車，用打點計時器測量小車的速度變化，通過改變橡皮筋的條數(shù)，實現(xiàn)驗證在做功為W/2W/3W情況下與小車動能變化量的關(guān)系.而W具體是多少不能定量測出.因此筆者想開發(fā)一種能定量測量做功，簡單便捷驗證做功與動能變化關(guān)系的儀器.

筆者用上述傳送帶實驗演示儀改進了該實驗.實驗時先開啟傳送帶，用力傳感器測出滑塊與傳送帶間的滑動摩擦力f，然后用雙輪以某速度發(fā)射滑塊，用光電門測出滑塊通過光電門時的瞬時速度v，用激光測距傳感器測出滑塊從光電門滑行至停止的位移x，就可以定量得出物體克服摩擦力做功W=fx的數(shù)值，與物體動能變化量的數(shù)值對比，就可以定量地驗證動能定理.本實驗的實驗原理簡單易懂、實驗儀器易操作，經(jīng)測試實驗結(jié)果誤差控制在1.5%以內(nèi).

4 結(jié)語

隨著時代的日新月異和科技的飛速發(fā)展以及教育理念的更新，原有的一些實驗器材及其對應(yīng)的實驗方法已經(jīng)顯得陳舊落后，無法滿足當(dāng)代科研與教學(xué)的需求.教師應(yīng)當(dāng)在教學(xué)實踐中動態(tài)生成更有效的實驗方案，運用新材料和先進儀器來開發(fā)更多的習(xí)題情境實驗、改進課本演示實驗及補充更豐富的概念規(guī)律突破實驗，提高實驗的精度和可重復(fù)性，對實驗數(shù)據(jù)進行深度分析和挖掘，從而揭示出隱藏在數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和趨勢使實驗現(xiàn)象更加直觀和明顯，為學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)提供更豐富的探究實驗項目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力，讓他們在實驗探究過程中更深入地理解科學(xué)原理和方法，推動物理教學(xué)的改革與創(chuàng)新.

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