初中物理“機械能的轉化”實驗改進探索

段麗平

(廣州開發區中學，廣東 廣州 510730)

初中物理“機械能的轉化”實驗改進探索

段麗平

(廣州開發區中學，廣東 廣州 510730)

文中制作的作品從斜面滑下到水平面后，不是停下來，而是返回，又滾上斜面，體現了重力勢能、動能和彈性勢能的相互轉化。為了讓實驗現象更加明顯，我們分別從橡皮筋的彈性，罐子的透明度，罐子速度快慢的直觀顯示進行改進，收到較滿意的效果。

機械能的轉化;彈性形變;顏色盤 ;可視性

機械能的轉化問題是初中物理教學的重點，課標對此的要求是：通過實驗或實例，認識物體的動能和勢能可以相互轉化，能解釋與機械能有關的現象[1]。筆者在實際的教學工作中，發現可以通過滾擺、過山車等實例講授動能和重力勢能的相互轉化，通過網球球拍發生彈性形變的視頻講授動能和彈性勢能的相互轉化，但是，有沒有一個小實驗能同時將動能、重力勢能、彈性勢能之間的轉化都包含在內呢？

文中提及的實驗來自于人教版物理八年級下冊課本P74頁第4題：如圖1所示，在一個罐子的蓋和底各開兩個小洞，將小鐵塊用細繩綁在橡皮筋的中部穿入罐中，橡皮筋兩端穿過小洞用竹簽固定，做好后將它從不太陡的斜面滾下，則觀察到的現象是______，產生此現象的原因是：______________[2]。

圖1 第一次模板

實驗現象是罐子會返回斜面，因為橡皮筋的彈性勢能轉化為罐子的動能和重力勢能，所以罐子能返回斜面。

實驗過程的準確描述應是這樣：鐵罐從不太陡的斜面上滾下，當從最高處滾下時，鐵罐先由慢到快、后由快到慢滾到最低點。上面一段滾動主要是重力勢能減小，鐵罐的動能和橡皮筋的彈性勢能增加，下面一段滾動主要是重力勢能和鐵罐的動能減小，橡皮筋的彈性勢能增加，鐵罐在斜面上滾到最低處時，橡皮筋形變到最大程度，具有較大彈性勢能。在橡皮筋恢復的過程中，鐵罐會由斜面底部自動滾上去。從最低處滾上時，鐵罐先由慢到快、后由快到慢滾到最高點,下面一段向上滾動主要是橡皮筋的彈性勢能減小,鐵罐的動能和重力勢能增加。上面一段滾動主要是橡皮筋的彈性勢能和鐵罐的動能減小,重力勢能增加，所以罐子能返回斜面。

通過分析，我們認為這個實驗器材簡單，現象明顯，實驗原理通俗易懂，比較好的說明動能、重力勢能和彈性勢能的相互轉化問題。于是，我們對這個實驗進行制作，并不斷的思考和改進。在實驗的改進和探索過程中，必須要注意的問題是：橡皮筋的彈性形變以及恢復形變的可視性，罐子的速度大小的可視性，罐子里面小鐵塊的質量。為此，我們從這幾個方面著手開始作品的制作改進探索過程。

1 制作改進探索過程

1.1 第一個版本

按照課本的意思，我們制作了如圖2所示的第一個版本。罐子是一個八寶粥的瓶子，里面是一個小鐵塊，雖然能從水平面返回斜面，但是里面的橡皮筋的彈性形變的程度我們是看不到的，怎么跟別人介紹橡皮筋發生了彈性形變，怎么能清楚的看到橡皮筋在恢復彈性形變？小鐵塊質量夠大嗎？為此我們制作了第二個版本。

1.2 第二個版本

用一個透明的“百歲山”水瓶(見圖3)，在瓶蓋和瓶底各開2個小洞；將一個大鐵圈代替一個小鐵塊用橡皮筋綁在大鐵圈的中部穿入瓶中，橡皮筋兩端穿過小洞各在兩端用2個鑰匙扣固定。實驗現象是：水瓶從斜面滾下，由于水瓶表面的凹凸不平的粗糙程度較深，摩擦很大，使瓶子滾不上斜面。

我們知道了罐子的瓶身不能有凹凸不平，必須是光滑的結論后，又找來一個 “怡口蓮”罐子，和前面的制作方法一樣操作，只是把一個大鐵圈換作2個廢舊電池，用細繩綁在電池的中部穿入瓶中，細繩兩端穿過小洞在兩端各打一個結固定。將它再一次從斜面滾下時，由于罐子一端較大，一端較小，它就會像一個圓一樣在水平面上打轉。

圖2 第二次模板

圖3 第三次模板

1.3 第三個版本

在作品制作過程，有同學在問，我們用透明的罐子解決了清晰看到里面橡皮筋形變的形成和恢復的過程，有沒有辦法解決清晰看到罐子的速度快慢變化的過程呢？

我們想到在機械能的轉化中，老師演示滾擺實驗時，在滾擺的側面涂上了紅白顏色相間的圖(如圖4所示)：當滾擺滾動快時，帶動顏色盤轉動也很快，看上去紅白紅白的變化很快，視覺區分不了，就像一個飛速運轉的紅盤；當滾擺滾動慢時，帶動顏色盤轉動也很慢，看上去紅白紅白的變化很慢，視覺能區分紅白的顏色。顏色盤的作用就是幫助我們理解滾擺的轉動速度的。受這個顏色盤的啟發，我們能否也在罐子的兩端貼一個顏色盤呢？于是有了第三個版本。

圖4 第四次模板

用透明的罐子和有顏色盤做成的第三個版本解決了彈性形變的可視性和速度快慢變化的可視性的兩大難題，應該是很成功的了。但是我們的同學發現，由于罐子口徑較小，里面的鐵塊容易與瓶身相碰，造成實驗的不明顯。所以我們應該用一個口徑較大的罐子做最終版本。

1.4 最終版本

綜合考慮以上因素，我們的最終版本如圖5所示。

方法是:將一個透明類似于圓柱體的罐子,兩邊各打兩個洞,用兩條橡皮筋分別穿進洞里,在兩條橡皮筋的中間用細繩將鐵塊綁緊。實驗得到了我們要的效果，就是：罐子從水平面返回，滾上斜面，反復好幾次，而且清楚地看到里面橡皮筋的形變相交和恢復的過程，同時還看到顏色盤時快時慢的變化情況。

圖5 第五次模板

2 對作品的探索

在不斷的對該作品進行改進的過程中，我們感觸很多，對作品的制作心得，亮點，使用和收獲整理歸納如下：

2.1 制作心得

我們的制作心得歸納起來就是:1) 橡皮筋要選擇韌性好的。2)小鐵塊不能太重或太輕,太重太大小鐵塊會與罐子摩擦,太輕慣性太小則不能促使橡皮筋發生彈性形變。3)罐子要透明的,因為這樣可以看到內部的橡皮筋的形變相交和恢復情況。4)在罐子兩邊加上黑白相間的顏色盤,方便看出罐子的運動速度快慢。5)罐身和斜面要平滑,不能凹凸不平。

2.2 作品亮點

亮點一：本作品的制作材料均來源于生活中，成本低廉，制作簡單，演示效果好，容易激發學生的求知欲望，起到了事半功倍的作用。

亮點二：本作品中用到的顏色盤表征著罐子的速度變化，是滾擺實驗中的顏色盤的遷移，是知識的應用，通過作品的制作培養了學生學以致用的能力。

亮點三：我們的作品產生的實驗現象(能返回斜面)與生活中常見的實驗現象(在水平面上停下來)形成鮮明的對比，當罐子返回到斜面時，會有一種意想不到的效果。在這種令學生感到驚奇的實驗現象下，學生的學習積極性會極大的調動起來，學習效果會更好，課堂效率會更高。

反思初中物理中，我們有這樣兩個實驗用到了物體從一個斜面滾下，落到水平面，然后慢慢靜止的現象。他們與我們的制作形成鮮明的對比。

2.2.1 對比的兩個實驗

實驗一：探究影響動能大小的因素

從斜面滾下的鐵球A碰上木塊B后，能將木塊B推出一段距離， __________，表明A的動能越大。

這里的A球從斜面滑下，推動木塊B后，與B一起慢慢停下來。說明物體質量越大，速度越大，具有的動能越大。

實驗二：阻力對物體運動的影響

(1)為什么要小車從同一高度下滑？

(2)三種表面的不同點是什么？

(3)小車在三種不同表面的運動距離有什么不同？

(4)這個現象說明了什么？

(5)假如小車不受到阻力的作用，可能會怎樣？

這里說明的問題是阻力對物體運動的影響。由于水平面的阻力作用，小車也會慢慢的停下來，阻力越小，小車慢慢停下滑行的距離越大。由此推導，若阻力為零，小車的速度便不會變小，小車會速度大小不變、方向也不變的做勻速直線運動下去。這是理想的情況，當然，實際上的平面，阻力是不會為零的，小車還是會停下來。

2.2.2 本作品可研究的實驗

實驗一：演示動能和彈性勢能的轉化

把本作品放在水平地面上，用力使它向前滾動，可以觀察到本作品滾動一段距離后自動返回。實驗現象說明：當作品向前滾動時是動能轉化為橡皮筋的彈性勢能；返回時，橡皮筋的彈性勢能又轉化成動能，這是一個動能和彈性勢能相互轉化的實驗。

實驗二：動能、重力勢能、彈性勢能的轉化

把本作品放在一個不太陡的斜面上，斜面與水平面接觸。當讓本作品靜止釋放時，它向下滾動到水平面上后慢慢返回，并返回到斜面上。這是一個動能、重力勢能與彈性勢能相互轉化的有趣的實驗。

[1] 教育部.義務教育物理課程標準(2011年版)[S].北京：北京師范大學出版社，2011.

[2] 教育部.義務教育教科書八年級物理下冊 (2012年版)[S]. 北京：人民教育出版社 ，2012.

(責任校對 王小飛)

20140719

段麗平(1980- )，女，湖南郴州人，中學二級教師，主要從事初中物理教學工作。

G632.0

A

1674-5884(2015)02-0023-04