“運動的合成與分解”創新實驗設計

列曉東 梁淑媚

(廣州市第十六中學 廣東 廣州 510080) (廣州市真光中學 廣東 廣州 510380)

“運動的合成與分解”在高中物理中占有重要的地位,它處于學生對運動的分析從直線運動到曲線運動、從簡單運動到復雜運動的關鍵位置上，而這個內容較為抽象，學生難以理解，僅靠教材上編排的一個實驗[1](紅蠟塊的運動) 難以突破難點.因此，文中針對本節課的教學過程， 設計了相應的創新演示實驗及教學建議，力求提高教學效果.

1 區分合運動和分運動并理解二者之間具有等時性

1.1 實驗設計

如圖1所示，在木制展板上方安裝一個抽屜滑軌，并在上面固定一個滑塊；繩子1的一端綁著小球A，另一端經過定滑輪后固定在滑塊鐵釘上；繩子2綁著小球B,掛在滑塊鐵釘下方；繩子3的一端綁著小球C，另一端繞過滑塊上的鐵釘后固定在展板上；3個小球在空間上前后擺放，相互錯開.演示前，把滑塊移到展板左端，調整繩子的長度，使3個小球處在同一水平高度上.這樣，當滑塊水平向右勻速運動時，小球A豎直向上勻速運動，小球B水平向右勻速運動.由于A，C兩球在豎直方向上速度相等，而B，C兩球有相同的水平速度，故球A的運動速度能代表球C在豎直方向上的分速度，球B的速度能代表球C在水平方向上的分速度.

圖1 演示合運動和分運動之間具有等時性

1.2 教學建議

教師先單獨掛上小球A,B和C，使滑塊向右勻速運動，讓學生觀察小球的運動情況，引導學生思考3個小球的運動有什么關系.接著同時掛上3個小球，滑動滑塊，使3個小球同時運動.顯然，小球C的運動效果與小球A,B運動效果之和相同，從而教師給出合運動及分運動的定義，進而引導學生思考這3個小球在運動的時間上有什么關系.推導出合運動和分運動之間具有等時性.

2 演示兩個分運動之間具有獨立性

2.1 實驗設計

如圖2所示，在實驗1展板背面貼上坐標紙，畫上起點線和終點線；再在滑塊上安裝一個帶滾輪的電動機；繩子的一端綁上一個小球，另一端纏繞在電動機的滾輪上.電動機轉動時，帶動小球以恒定速度上升.

圖2 演示兩個分運動之間具有獨立性

2.2 教學建議

教師在開啟電動機的同時，勻速推動滑塊，并讓學生記錄不同水平速度下小球從起點線上升到終點線所用的時間.通過比較，學生不難發現，水平方向運動速度的大小并不影響小球到達終點線所用的時間，即水平方向的運動與豎直方向的運動互不影響，從而理解兩個分運動之間具有獨立性.

3 演示運動的合成與分解符合平行四邊形定則

3.1 實驗設計

如圖3所示，將一對抽屜滑軌用一個調角旋鈕銜接起來，組成一個可調角度的“L型支架”，其中調角旋鈕是從自行車撐傘架可轉動部分拆卸下來的；在滑軌的表面粘上傳動皮帶，并分別在兩個滑軌的起始端固定兩個帶有齒輪的力矩比較大的直流電動機，借助直流電機控制滑軌的伸縮；在豎直方向的滑軌上安裝一個金屬架，用于固定白板筆；滑軌的下方安裝一個滾輪，用于支撐“L型支架”；最后在繪圖區固定一塊有機玻璃板，用于記錄白板筆的運動軌跡.圖示中的U1，U2分別代表兩臺學生電源的輸出電壓，用一個雙刀單擲開關S同時控制電動機的開斷.這樣，兩個直流電動機可控制白板筆做水平和豎直方向的運動.通過調節調角旋鈕改變分運動的夾角，調節學生電源的輸出電壓改變分運動的速度大小，即可讓白板筆在有機玻璃板上畫出不同的合運動軌跡.另外，在演示前使滑軌處于伸展狀態，演示時使滑軌收縮，有助于減小直流電動機所受到的阻力.

圖3 演示運動的合成與分解符合平行四邊形定則

3.2 教學建議

首先，調整出合適的夾角，在起點位置標記O點；其次，先使直流電動機A，B的供電電壓分別為零和U1，閉合開關，使豎直方向的滑軌獨立運動，利用機械停表計時，經過時間Δt后斷開開關，白板筆記錄該方向的運動軌跡；然后使白板筆回到O點，將直流電動機A，B的供電電壓改為U2和零，閉合開關，使水平方向的滑軌獨立運動相同的時間Δt；最后將直流電動機A，B的供電電壓改為U2，U1，閉合開關，使兩條滑軌同時運動相同的時間Δt，此時白板筆畫出合運動軌跡.最后用紅色筆作輔助線，學生可以觀察到合運動和分運動符合平行四邊形定則.改變分運動的夾角，可演示分運動分別為銳角、直角、鈍角時的合成情況.

圖4展示了當分運動夾角為鈍角時，白板筆所留下的軌跡情況.白板筆墨跡清晰，教師可根據課堂需要，讓學生量出相應線段的長度或夾角，通過數學方法驗證其符合平行四邊形定則.

圖4 演示運動的合成與分解符合平行四邊形定則

4 拓展演示“小船渡河”情景

4.1 實驗設計

同樣采用實驗3的裝置，在白板筆上粘貼一條紙船，并在有機玻璃板上畫兩條平行線表示河岸.兩滑軌的運動分別代表紙船在靜水中的運動及水流的運動.通過設定兩個直流電動機的輸入電壓來調整“水速”和“船速”的大小，調節調角旋鈕以改變兩個分速度的夾角，閉合開關，讓兩滑軌同時運動，便可模擬出“小船渡河”情景.

4.2 教學建議

教師在演示前，設定好“水速”和“船速”的大小.演示時，先單獨啟動其中一個直流電動機，讓學生觀察水速和靜水中船速的大小，將紙船復位到O點后同時啟動兩個直流電動機，觀察紙船的合運動軌跡.通過調節調角旋鈕改變“船頭”的朝向，展示紙船不同的渡河情況，引導學生分析，從而幫助學生熟練地運用平行四邊形定則.同時，利用形象的生活情境幫助學生進一步理解合運動與分運動的關系.圖5展示了當“船速”大于“水速”時，兩者夾角為銳角、直角和鈍角時的合運動軌跡.

圖5 “小船渡河”情景

另外，實驗3的裝置還可以演示物體做曲線運動情況.將一個滑動變阻器與直流電動機B串聯，再連接到學生電源上，用于小幅度調節直流電動機兩端的輸入電壓，從而使白板筆在豎直方向做變速運動，而在水平方向保持勻速運動.教師通過引導學生比較物體分別做直線運動和曲線運動時分運動的特點，激發學生思考物體在什么情況下做曲線運動.從而為學習“物體做曲線運動的條件”、“平拋運動”埋下伏筆.

參考文獻

1 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書物理·必修2.北京：人民教育出版社，2010