“影響動能大小因素”與“動能與彈性勢能之間的轉(zhuǎn)化”探究實驗的改進

劉俊英

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，從物理科學(xué)的形成和發(fā)展來看，實驗起到了十分重要的作用。實驗是物理學(xué)科的靈魂，在物理教學(xué)中實施和創(chuàng)新實驗是新課程素質(zhì)教育理念的展示，它可以使學(xué)生親身經(jīng)歷和體驗實驗，培養(yǎng)學(xué)生的觀察和實驗?zāi)芰Γ囵B(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和團結(jié)協(xié)作精神，全面落實科學(xué)發(fā)展觀的目標(biāo)。實驗教學(xué)具有其他教學(xué)內(nèi)容和形式所不能替代的作用。

在人教版九年級物理第十五章第四節(jié)《動能和勢能》中，為了研究“動能大小與什么因素有關(guān)”，提出了利用斜面、鐵球、木塊等器材組合開展的實驗探究(如圖1所示)。

圖1

但是，在實驗中發(fā)現(xiàn)用這些器材組合開展實驗探究存在一些不便之處。首先，被球撞擊的木塊在前進中位置傾斜，不便確定其被撞出的準(zhǔn)確距離。其次，球在斜面上滾下時經(jīng)常會偏離直線軌道，不能正撞在水平停放的木塊上，且會從木塊邊緣滑落，課上要揀球，浪費實驗時間。最后，在課堂上組合這些器材不能省時省力，組合不到位會使木塊二次被推進的距離差距變小，實驗效果不理想。為此，對教科書的探究實驗進行如下改進。

一、“影響動能大小因素”探究實驗的改進

1.“影響動能大小因素”探究實驗改進的裝置圖(如圖2所示)

圖2

2.“影響動能大小因素”探究實驗簡圖(如圖3所示)

圖3

3.“影響動能大小因素”探究儀所需材料及制作方法

(1)所需材料(如圖4～圖5所示)

①主要材料：2塊長50 cm、寬10 cm、厚2 cm的兩面平滑的長木板；直徑為2 cm的鋼球1個；直徑均為1.5 cm的鋼球和玻璃球各1個；磁帶盒1個。

②輔助材料：寬1.5 cm、長50 cm的皮尺(帶刻度0～50 cm)、廢筆芯3個、直徑為2.5 cm、厚度為1 cm的象棋棋子3個，彩色廣告紙若干張，小合頁2對(4 cm×3 cm兩片金屬構(gòu)成的鉸鏈)，門鼻兒1個(10 cm×3 cm，用于門上加鎖)，長9 cm、直徑約為5 mm金屬鑰匙鏈一段，長4 cm、寬2 cm的一段鋼尺，一段長細鋼絲，螺絲釘5枚。

圖4 兩塊平滑的長木板

圖5

(2)制作方法

①挖凹槽，做軌道(如圖6所示)。

先把兩塊木板表面推平滑，然后在兩木板中間挖出一個深4 mm、直徑2 cm的半圓形光滑凹槽，作為鋼球運動時的軌道。

圖6 中間的凹槽是小球運行的軌跡

②連木板，做支架，成斜面(如圖7所示)。

木板1做斜面，木板2做水平面。木板1背面中央固定門鼻兒掛上手鏈，就成了一個支架，可支可放。用一對小合頁把兩塊木板固定在一起，木板1，2可隨意彎折成不同角度，也可折疊重合放置。

圖7

③磁帶盒再加工。

磁帶盒作為被撞物體，通過它來反映物體動能的大小。磁帶盒兩寬邊緣用膠水粘超過它厚度5 mm的長塑料條(材料即為磁帶盒的側(cè)面邊)，使其恰好橫跨木板2兩邊，且卡在木板兩邊。當(dāng)球撞擊到盒子上時，盒子會在木板上直線滑行，它的位置不會傾斜，鋼球也不會落地。

④貼刻度，做小旗，明位置。

木板2面向?qū)W生的側(cè)面上粘貼長50 cm的皮尺。木板1(斜面上)從距自由端5 cm處每隔14 cm粘一紅色紙條，紙條寬4 mm，這樣斜面上就有了3條醒目的刻度線了；不同顏色的廣告紙折疊成3面漂亮的旗面，旗桿為筆芯，木質(zhì)的象棋子為旗桿的底座。3面小旗作為被撞擊的盒子終止位置的標(biāo)志。最后，木板統(tǒng)一涂上白色，儀器美觀大方。

(3)使用方法

“影響動能大小因素”探究儀的使用(如圖8所示)：

圖8

①把畫有3條線的木板1支起，成一斜面，木板2水平放置。

②水平放置的木板上放置一個經(jīng)過加工的磁帶盒，第一次分別用大小不同的球從斜面刻線1處自由滑下，觀察磁帶盒被推進的距離；第二次，磁帶盒放回原處，讓大球分別從刻線1，2和3處自由滑下，觀察磁帶盒被推進的距離。每次實驗時，磁帶盒到達的位置放一小旗。通過比較磁帶盒被推進的距離來說明小球動能的大小。從而得出物體動能大小的決定因素是：質(zhì)量、速度。

③實驗數(shù)據(jù)(見表1、表2)。

表1

表2

二、用于“動能與彈性勢能之間的轉(zhuǎn)化”實驗的設(shè)計

在本章第五節(jié)《機械能及其轉(zhuǎn)化》中，課本要求學(xué)生設(shè)計一個小實驗來表現(xiàn)物體動能與勢能之間的轉(zhuǎn)化。實驗室的器材及學(xué)生設(shè)計的實驗大多能夠體現(xiàn)動能與重力勢能之間的相互轉(zhuǎn)化，但動能與彈性勢能之間相互轉(zhuǎn)化的演示卻很少。如何讓實驗?zāi)軌蛘鎸崱⒅庇^再現(xiàn)動能與彈性勢能的相互轉(zhuǎn)化過程、現(xiàn)象清楚、過程完整？如何使實驗更便捷、用時少、效果好？經(jīng)過筆者的摸索研究，把上述教具稍作改進，可用于 “動能與彈性勢能之間的轉(zhuǎn)化”實驗的演示和學(xué)生的分組實驗。

1.“動能與彈性勢能之間的轉(zhuǎn)化”實驗的裝置圖(如圖9所示)

圖9

2.“動能與彈性勢能之間的轉(zhuǎn)化”實驗的簡圖(如圖10所示)

圖10

3.制作方法

(1)自制帶指針的彈簧

一段細鋼絲自制成一段11 cm長、截面直徑為2.5 cm、彈性良好的彈簧，彈簧一端留一段長5.5 cm的直鋼絲，在長4 cm處向下垂直折1.5 cm長，且把1.5 cm長涂成紅色，作為彈簧起始端標(biāo)志的指針。彈簧起始截面上鑲嵌一個大小與截面積相當(dāng)?shù)谋¤F片，目的是為了讓球撞擊到彈簧上時彈簧受力均勻且不會卡住球。

(2)固定彈簧支架

在木板2自由端側(cè)面中央位置，用螺絲豎立固定一鋼尺，鋼尺可旋轉(zhuǎn)，用時鋼尺豎起與木板水平面垂直，自制彈簧終端可以套在鋼尺上；不用彈簧時，從鋼尺上摘掉彈簧，旋轉(zhuǎn)鋼尺至水平位置，使其緊緊貼在木板2邊緣。

4.使用方法(如圖11所示)

讓鐵球從斜槽的頂端自由滾下進入水平槽中，在水平槽的一端固定一彈簧，觀察到球與彈簧撞擊的過程，說明動能與彈性勢能之間的轉(zhuǎn)化。

圖11

有刻度、用小旗確定被撞物體的位置，旗幟鮮明，對比明顯。撞擊彈簧時，彈簧被壓縮、反彈、恢復(fù)原長的這個過程，用指針無論是從正面還是側(cè)面，觀察者都能看得清清楚楚，彈性勢能與動能的轉(zhuǎn)化過程形象直觀。

三、該教具的優(yōu)點

(1)簡單易做，取材容易，造價低廉，便于自制和推廣。

(2)結(jié)構(gòu)簡單，支架可折疊，輕巧靈活，外形美觀。

(3)儀器附件大多為廢舊物品，經(jīng)濟環(huán)保，變廢為寶。

(4)易于操作，實驗方法簡單，能形象生動、完整地證明物理規(guī)律。

(5)能鮮明地展示實驗現(xiàn)象，可見度、演示效果好，可用于教師演示或者學(xué)生探究實驗。

(6)糾正了傳統(tǒng)實驗組合的缺點，一個器材可做兩個實驗，節(jié)時高效。

實驗教學(xué)靈活多樣，有利于學(xué)生全面發(fā)展，挖掘?qū)W生內(nèi)在的潛能。實驗是物理學(xué)的基礎(chǔ)，改進實驗教學(xué)是物理教師的責(zé)任。讓我們以實驗創(chuàng)新為前提，以科學(xué)探究為主，多做實驗，勤于鉆研，勤于動手，加強實驗教學(xué)。通過挖掘教學(xué)內(nèi)容，把課內(nèi)探索延伸到課外，在實驗教學(xué)中求新求異，培養(yǎng)自身的科學(xué)探究能力、創(chuàng)新意識以及科學(xué)精神，通過實驗教學(xué)求得師生共同發(fā)展。