自制儀器 克服思維定勢(shì) 突破曲線運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)難點(diǎn)

徐永明 徐 萌

（江蘇省濱海中學(xué)，江蘇 鹽城 224500）

曲線運(yùn)動(dòng)這一節(jié)的難點(diǎn)：一是軌跡上任一點(diǎn)速度的方向，二是物體做曲線運(yùn)動(dòng)的條件，三是運(yùn)動(dòng)的合成與分解.教科書中，用紅燭塊在長(zhǎng)玻璃管中運(yùn)動(dòng)的演示實(shí)驗(yàn)，把運(yùn)動(dòng)的合成與分解簡(jiǎn)潔、直觀地?cái)⑹銮宄耍鴮?duì)于速度的方向與曲線運(yùn)動(dòng)的條件，筆者使用2個(gè)自制的儀器更有助于學(xué)生的理解.

1 器材介紹

1.1 液滴速度方向顯示儀

圖1

儀器制作：取一個(gè)直徑6cm左右的透明圓柱形塑料瓶（飲料瓶），剪去上半部，變成無(wú)蓋的圓柱形容器；用剪刀或美工刀在底部的正中央鉆一個(gè)小孔，孔徑與筆芯直徑相等或略小，把空的去頭的水筆芯插入小孔，露在底部外面的長(zhǎng)度約4mm，502膠水涂在中心孔處，粘合筆芯與塑料瓶，筆芯成為儀器的轉(zhuǎn)軸；用縫衣針在離底部3mm處側(cè)壁戳一圈細(xì)孔，孔徑約為1mm左右，不能太大，如圖1所示，右圖是塑料瓶底子.另取一薄板，可用油膜法測(cè)定分子大小實(shí)驗(yàn)中有機(jī)坐標(biāo)板代替，在板的正中央用剪刀或美工刀鉆一個(gè)比筆芯直徑略大的小孔，制作完畢.

使用方法：取一張8開的大白紙覆蓋在坐標(biāo)板上，儀器底部露出的轉(zhuǎn)軸戳破白紙正好卡在坐標(biāo)板的中心小孔中.向儀器中輕輕注入1cm深的墨水，由于表面張力的作用，此時(shí)墨水不會(huì)從小孔中流出.塑料瓶放在坐標(biāo)板的正中央，露出瓶底的轉(zhuǎn)軸正好卡在坐標(biāo)板的中心小孔中，拇指與食指捏住轉(zhuǎn)軸上部，迅速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，整個(gè)儀器跟隨一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)軸不離開坐標(biāo)板中心孔，確保墨水滴甩出前做圓周運(yùn)動(dòng).

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：如圖2所示，圖中的圓是瓶底在白紙上留下的印跡，墨水滴從小孔中甩出，由于慣性在白紙上留下長(zhǎng)長(zhǎng)的“尾巴”，顯示墨水滴的運(yùn)動(dòng)方向，可看出墨水滴的運(yùn)動(dòng)方向都與圓相切，而不是沿某一條半徑方向向外，說(shuō)明做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，在某點(diǎn)的速度方向就是該點(diǎn)的切線方向.

實(shí)驗(yàn)原理：（1）利用液體的表面張力.因?yàn)橐后w的表面張力以及小針孔直徑很小，所以注入墨水后不會(huì)從小針孔中流出.（2）利用離心現(xiàn)象.墨水雖然不從小孔中流出，但會(huì)有小墨水滴從小針孔中凸起，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸時(shí)，分子間作用力提供小墨水滴的向心力，當(dāng)轉(zhuǎn)速很大時(shí)，分子間作用力不足以提供向心力，小墨水滴被甩出.（3）利用慣性現(xiàn)象.甩出的小墨水滴，在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng)，小墨水滴落到白紙上時(shí)，由于慣性，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，顯示運(yùn)動(dòng)的方向.（4）坐標(biāo)板的作用.塑料瓶的軸剛好卡在坐標(biāo)板的中心孔中，瓶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)確保整體做圓周運(yùn)動(dòng).（5）502膠水作用.一是固定連接瓶與筆芯，使筆芯成為能帶動(dòng)瓶轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，二是防止墨水沿筆芯從中心底孔漏出.

圖2

1.2 強(qiáng)磁甘油曲線運(yùn)動(dòng)儀

儀器制作：取一方形玻璃槽，如圖3所示，（a）圖是正面圖，（b）圖是側(cè)面圖，高度適當(dāng)，注入適量的甘油，側(cè)面用膠帶懸掛一強(qiáng)磁鐵，位置可調(diào)節(jié)，如（b）圖，另備多個(gè)小鐵球，制作完畢.

圖3

使用方法：將小鐵球距離強(qiáng)磁鐵較遠(yuǎn)處輕輕放入甘油，調(diào)節(jié)磁鐵的位置改變小球運(yùn)動(dòng)的軌跡.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：小球極短時(shí)間內(nèi)開始緩慢向下勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到強(qiáng)磁鐵附近時(shí)，小球向強(qiáng)磁鐵一側(cè)彎曲.

實(shí)驗(yàn)原理：以20℃為例，甘油的密度約為ρ甘＝1.26331×103kg/m3，粘滯系數(shù)η＝1.410Pa·s（水的粘滯系數(shù)為1.0×10－3Pa·s），假設(shè)水槽足夠深，面積足夠大，小鐵球的半徑R＝3.00×10－3m，密度為7.87×103kg/m3，在甘油中小鐵球先加速后勻速，當(dāng)f＋F浮＝mg時(shí)，小鐵球速度達(dá)到最大值，即

如果用水代替甘油，最大速為129.6m/s，易證，小鐵球在甘油中下降幾厘米后就以較小的速度勻速下降，而在水中要下降很長(zhǎng)的距離后以較大的速度勻速下降.因此，本實(shí)驗(yàn)中，用甘油而不用水，保證小鐵球有較長(zhǎng)的下落時(shí)間，便于觀察、操作與調(diào)控.如果換用直徑更小的球，下落時(shí)間將更長(zhǎng)，但后排的學(xué)生觀察不清.實(shí)踐證明，演示實(shí)驗(yàn)的小球直徑0.5cm左右為宜.

2 自制儀器使用案例

學(xué)生學(xué)習(xí)這節(jié)內(nèi)容，因思維定勢(shì)的消極作用而犯錯(cuò)誤的現(xiàn)象，屢見不鮮，這兩個(gè)自制儀器的使用，有助于學(xué)生理解學(xué)習(xí)的難點(diǎn).表1是教學(xué)設(shè)計(jì)的兩個(gè)片斷，展示如何突破難點(diǎn).

表1

1 劉竹琴，馮紅俠.甘油的粘滯系數(shù)與溫度的關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究［J］.延安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，（04）：35－37.

2 秦允豪.普通物理學(xué)教程熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2004：110.