“雙斜面實驗”演示儀的研制

鮮雨桐 彭朝陽

(云南師范大學物理與電子信息學院，云南 昆明 650500)

·名師論壇·

“雙斜面實驗”演示儀的研制

鮮雨桐 彭朝陽*

(云南師范大學物理與電子信息學院，云南 昆明 650500)

筆者利用生活中簡易材料,自制伽利略“雙斜面”實驗器具，以增添教材中“雙斜面”實驗的趣味性。同時，結合學生的認知發展特點,進一步完善對該實驗的探究過程,旨在為“牛頓第一定律”的教學提供借鑒。

牛頓第一定律；自制教具；雙斜面實驗

1 引言

在“牛頓第一定律”的教學中，若要轉變學生關于力與運動關系的錯誤前概念：物體的運動需要力來維持，伽利略理想“雙斜面”實驗作為重要實驗支撐，對學生理解和學習就非常關鍵。在人教版高中物理教材“牛頓第一定律”中只是簡單介紹了從真實“雙斜面”實驗到理想“雙斜面”實驗間的邏輯推理過程，缺少探究過程，學生并不能理解“雙斜面”實驗的“理想”之處，雖有潘通(2015)、夏藝娟(2011)、吳暢(2015)等通過自制“雙斜面”實驗教具，引導學生進行探究，但這些教具還是存在軌道材料不理想、實驗操作受限制等不足之處。筆者通過自制趣味性“雙斜面”實驗教具，基于學生認知特點，設計實驗的探究、推理過程，幫助學生理解力與運動的關系。

2 自制“雙斜面實驗”演示儀

2.1 實驗器材

實驗材料：一塊薄木板，兩個相同的木塊,三根線槽板，一根細塑料桿，一塊廢棄毛巾，一張表面較為粗糙的薄紙，三個大小相同的玻璃珠等。

實驗制作如圖1所示：(1) 將三個線槽板在二分之一處用膠水固定到木板上；

圖1

(2) 使3個線槽板的左半端與水平面成一定角度，固定在左端木塊上，右端木塊可移動；

(3) 將薄紙和毛巾條分別粘在線槽板2、3上；

(4) 將塑料細桿水平固定在軌道上。

本自制教具的幾個重要設計說明如表1。

表1 裝置設計說明

2.2 實驗過程

(1)提出問題

將同一小球從斜面一端的不同高度自由釋放，引導學生觀察小球到達斜面另一端的高度情況，提出問題：小球為什么不能到達等高的位置？

(2) 做出猜想

啟發學生提出所有可能的假設，然后引導學生進行驗證。

根據調查顯示，很多學生認為小球沒有回到等高點位置的原因可能是傾斜角度和出發點的位置不同，針對學生的分歧，在探究時就應該對這兩個猜想也進行驗證。

學生提出的猜想主要是以下3個：(1) 是因為出發點的位置不夠高；(2) 是因為斜面的傾角的不同；(3) 是因為斜面對小球有摩擦力的阻礙作用。

補充猜想，再一一排除干擾因素，在這個過程中會給學生更多的思考空間和時間，讓推理更加嚴謹，從而突破難點。

(3) 驗證假設

在驗證猜想時，要注意控制變量法的運用，每次驗證的猜想因素為變量，其他因素為不變量。

驗證猜想1:保持斜面傾角不變，讓一個小球在一個軌道上運動，改變小球在左邊斜面的出發點位置，可以發現出發點位置越高，小球在另一斜面也會越高，但是回不到出發位置高度，從而否定猜想1，但這里需要教師提醒學生進行同次比較，即小球在兩個斜面的高度必須是同一次運動的出發高度和到達高度；

驗證猜想2:讓小球從同一軌道同一位置出發，不斷移動右邊木塊來改變右邊斜面傾角，發現當右邊斜面傾角不斷增大時，小球在另一斜面運動距離會越短，達到的高度越高，但卻仍然無法達到等高點，從而否定了猜想2；

驗證猜想3:通過讓三個相同的小球同時在三個粗糙程度不同但軌道傾角相同的軌道上進行“趣味比賽”，讓學生比較哪個小球運動得最高？從而引導學生發現：在粗糙程度最小的軌道上的小球越接近等高位置，如圖2所示，即摩擦力越小，小球越接近等高位置，于是在此基礎進一步推論：摩擦力小到接近零時，小球就將達到等高位置，從而證明猜想3是正確的。

圖2

(4) 得出結論

根據以上的推理可以證明：如果斜面完全光滑時，小球無論從何處出發，斜面的傾角無論多大，小球都將達到等高點的位置。

(5) 合理外推

在上述探究的基礎上進一步推論：如果沒有摩擦，小球無論從何處出發，斜面的傾角無論多大，小球都會達到等高位置，所以不斷減小傾角時，等高點位置會后移，則小球運動距離將會變長，如果傾角減小為零，那等高位置就會無限遠，那小球為了達到等高位置也會一直運動下去。運動的小球在光滑水平面上不會停下來，會一直運動下去，即物體的運動并不需要力來維持。

2.3 實驗的創新之處

(1) 材料易得，加工方便

本實驗的實驗器材都是生活中易得的材料，并且不需要復雜的加工技術，在制作上不會有太大困難，線槽板的可塑性比鐵軌、鋁軌更好。

(2) 實驗具有趣味性

讓“三個小球比賽”的趣味實驗，讓學生在好奇心的驅使下，關注實驗現象，從而引發思考，而且三個樣本同時比較，可以讓實驗結果更加明顯。

(3) 方便調節

右邊斜面傾角可變，便于驗證猜想2。以表面粗糙程度作為變量時，用了三種不同材料，可以讓學生更好地意識到摩擦力對實驗的影響。

3 結語

本自制教具是針對學生的認知特點和探究實驗的要求而設計的，可以使學生對伽利略理想斜面實驗有更為直觀的認識，幫助學生更好地轉變前概念。

[1] 潘通,唐龍.《牛頓第一定律》教學中創新實驗的探索與研究[J].中學物理(高中版)，2015，(12):7-8.

[2] 夏藝娟.自制教具在《牛頓第一定律》教學中的應用[J].教育教學論壇，2011，(29):251-252.

[3] 吳暢.自制教具讓“牛頓第一定律”教學更精彩[J].物理通報，2015，(3):63-64.

* 名師簡介：彭朝陽，男，云南師范大學教授，研究方向為物理課程與教學論和天體物理。