有關動能和勢能演示器材的自制教具

吳洪華 張勤云

(姜堰市三水學校 江蘇 泰州 225500)

在進行“動能 勢能 機械能”(蘇科版九年級上第十二章第一節)的教學時，常常因為要攜帶多組器材而頗感不便，而且即使做實驗，也只能是教師演示，學生看，學生能不能參與其中，教師往往無暇顧及.筆者在經歷了反復地實踐、否定、再實踐、再改進的過程后，初步制作完成了一套教具(簡稱演示器),既能方便學生參與，又能“一物多用”,在教學中取得了很好的效果.

1 演示器的主要部件

演示器主要部件的組成如圖1所示.

①軌道(用長約1 m，直徑25 mm的PVC管彎折而成，兩段間的夾角在130°～150°之間)，②槽口及刻度(兩段直管部分都有)，③長約7 cm，直徑20 mm的軟壓簧，④鋼球，⑤玻璃球(與鋼球直徑相等)，⑥柱體(選用舊繼電器的塑料殼)，⑦海綿，⑧鐵夾.

圖1 自制的動能和勢能演示器

2 零件的選材與加工

2.1 小球

受“伽利略理想實驗” (蘇科版八年級第97頁信息庫)的啟發，在演示器中用小球替代教材中探究動能、重力勢能實驗中“能做功的物體”即小車和砝碼.在探究彈性勢能時小球還能用作“被壓縮的彈簧做功”的對象.

2.2 軌道

因為把小球放到木板斜面上并讓其自由滾下時，小球的路線不一定成直線，給木板開槽固然可以解決問題，但又不便用于研究重力勢能和彈性勢能，而且木板的加工也不易處理.針對以上問題，我們采用PVC管，做小球運動的軌道.因為它不僅可以方便地控制小球運動的路線，而且有“可塑性”，容易彎折成斜管代替“研究動能大小”時所用的斜面.

由于PVC管道不透明，小球運動的情形不可見.筆者將管道一側開槽，由此小球運動情形便可一目了然.并且在管道彎折部位留10 cm左右的長度不開槽，從而克服了由槽口截面失去支撐而致使軌道容易扭曲變形的問題.這樣不僅易于加工，而且效果理想.

因為用電鋸切割的槽口毛糙，學生在實驗時容易被刮傷，所以需先用美工刀切削毛糙的槽口，再用粗細不同的銼刀細心打磨槽口至其光滑圓潤.

考慮到活動中要比較被撞擊物體移動距離的長短，若操作時直接在槽口相應位置做標記，對下一組的學生實驗會造成干擾，使得器材不能反復使用.因此，采用一種膠著性很強的即時貼打印成刻度條直接粘貼到管上，作為刻度，方便學生比較，效果非常理想.

2.3 軟壓簧

如何用軌道探究彈性勢能呢？我們首先想到用橡皮筋，因為它柔軟且價錢便宜.在管子較長一端管口適當位置用燒紅的大頭針縱向刺穿以固定橡皮筋(圖2)，把橡皮筋向外拉伸可彈走小球，但因為大頭針的阻擋，橡皮筋不能如愿擊中管內的小球，而且橡皮筋質量的好壞也影響實驗效果.另外，處理不當的大頭針針尖還會劃破手指.

圖2

自然地想到彈簧，因為在管內拉伸彈簧的操作不方便，所以在比較后改用壓簧.選用合適的壓簧，不合規格的可以進行加工，最終，彈性勢能的載體就定了下來.

2.4 柱體

在研究動能大小時，我們起初選擇5號電池作為“展示能量大小”的對象，發覺它被玻璃球和鋼球撞擊的效果非常理想，可因為直徑太小，不能用作“轉換重力勢能的載體”，試圖用膠帶紙纏繞以加粗，但手工無法繞得均勻，效果不盡如人意.在試驗用廢棄繼電器、海綿效果不理想后，最終找到解決辦法，將海綿不完全地塞入繼電器空殼，使海綿露出端膨起，幫助繼電器殼與軌道內壁間形成適當摩擦，多次嘗試后，能保證在各個活動中做出較好的效果.

2.5 鐵夾

考慮到在活動中軌道不穩定，需用手扶住操作，于是準備為軌道做個支架，用鐵絲試著做了幾個，但因形態各異，不大美觀而放棄.最終采用家用的口徑較大、柄也較長的鐵夾，如圖1.它在研究動能時起到很好地穩定器材的作用.

3 使用方法說明

3.1 用于研究彈性勢能

把柱體和軟壓簧順次從彎管較長一端放進管中，并將長管一端朝下豎直壓在桌面上，如圖3.用大小不同的力向下按壓柱體，使彈簧縮短，松手時柱體向上彈出，借助槽口的刻度觀察比較柱體被彈起的距離，判斷“彈性勢能的大小與物體彈性形變的大小有關”.

圖3 圖4

3.2 用于研究重力勢能

將彎管較短一端朝下，把小海綿塊不完全地塞入一端封閉的塑管，將露出海綿的一端(借以控制柱體與軌道間的摩擦)朝下(圖4)從彎管上端開口處放入管中恰當位置.先用不同質量的小球從同一位置自由落下撞擊管中的柱體，觀察比較置于同一位置的柱體被撞擊移動的距離.再用質量相同的小球從不同高度自由落下，撞擊管中的柱體，觀察比較置于同一位置的柱體被撞擊移動的距離，判斷重力勢能大小與物體質量和被舉起高度間的關系.

3.3 用于研究動能

用鐵夾夾住彎管較短端的適當位置作為支架，使管子較長一端能平放在水平桌面上，將塞有海綿的空心管封閉端朝向彎折處放入較長管一側靠近起始開槽處(“0”位置，圖5).先后用質量不同的小球從傾斜管的同一位置(同一刻度處)自由滾下，撞擊水平管中的柱體，記錄比較柱體被撞出的距離長短；再用質量相同的小球，從傾斜管中不同位置自由滾下，撞擊置于“0”位置的柱體，記錄比較柱體被撞出的距離長短，判斷比較運動物體動能大小與物體運動速度及質量之間的關系.

3.4 用于研究機械能之間的相互轉化

將彎管呈“V”狀置于桌面上，從較短一端將鋼球放入管中(圖6)，觀察鋼球在管中運動過程中速度、高度的變化，判斷動能和重力勢能之間的轉化.

圖6

將鋼球、彈簧依次從較長端放入管中并將管子較長端直立，用筆將小球抬起到某一高度，再讓小球自由落下撞擊彈簧，在彈簧的形變和小球的反復升降中分析重力勢能、動能和彈性勢能之間的相互轉化(參照圖3，用鋼球代替柱體).

3.5 其他用途

如果將軌道截成兩段并用小段軟管(如小段空調外機的出水管)連接成角度可調的彎管還可用來模擬探究“牛頓第一定律實驗”.

4 器材特點及使用效果

4.1 器材特點

(1)造價低廉

按本地市場價計：10根長3 m,直徑25 mm的PVC管共60.00元，將1根分成3段1 m長的30根PVC管折彎、開槽的加工費60.00元，這樣每根軌道價值4.00元；鋼球1.00元/只；玻璃球0.1元/只；長約30 cm,直徑20 mm的軟壓簧1根，零售價為5.00元，將它等分為4段后只相當于1.25元/根；廢繼電器塑管和廢舊海綿小塊則是廢物利用的.由于是自己制作的，無需加工費.這樣算來每套器材需要的成本大約7.00元.

(2) 操作安全

設計和制作時注意規避了可能對學生帶來的傷害.

(3)一物多用

能同時滿足動能、勢能及機械能之間的相互轉化等探究活動的需要.

4.2 使用效果

器材的零件選定，使用方法也基本確定時，適逢泰州市教育品牌欄目“星光大舞臺”要在全市選拔兩名代表，展示我市初中物理實施新課改的成果.我校以此器材為展示主體設計了一節課，配以精心制作的多媒體課件參加了角逐，結果因為器材一物多用的創意和學生良好的參與性征服了所有評委，毫無爭議地奪取了難得的一個到泰州星光大舞臺展示自我、展示學校形象的機會.一個小小的肯定，我們一個多月來利用業余時間摸索、加工、改進教具所付出的辛勞都有了價值.