淺析物理教學中一物多用之木架篇

江蘇省高郵第一中學(225600) 于 淼

低成本創新實驗非常有利于物理課堂教學,可在很大程度上提高學生學習物理的興趣。教學中教師利用同一實驗器材設計出許多物理實驗,充分發揮某一實驗器材的作用,筆者平時十分注重這方面的研究。本文簡述了利用木架設計的6個實驗以供讀者參考。

1 研究重力勢能和動能的相互轉化

實驗器材：木制架、鐵球、乒乓球、2根1m長細繩、米尺、水平儀。

圖1 實驗裝置1

實驗過程：如圖1所示,用細繩連接鐵球并懸掛于木制架上,將米尺固定在木制架的適當位置(比鐵球運動的最低點高出8cm左右)并保持水平(可以用水平儀檢測),將鐵球拉到米尺的某一位置A靜止釋放,可以看到鐵球將運動到米尺左側對稱的位置A′。可以適當改變米尺離鐵球運動最低點的高度,再次實驗,可以得到相同的結論。若在懸掛點下方放一個鐵釘(碰鐵釘前后,細繩的長度不同),在A點釋放鐵球還會運動到對稱的位置A′(說明細繩的長度對結論沒有影響)。如果將鐵球換成乒乓球則不會運動到對稱點,且運動高度總是低于對稱點。

實驗結論：鐵球在運動的過程中,鐵球的重力勢能和動能相互轉化,鐵球能運動到對稱點說明鐵球在運動過程中重力勢能和動能的總和是保持不變的即機械能守恒。乒乓球運動過程中重力勢能和動能也相互轉化,不能運動到對稱點,說明乒乓球的機械能不守恒。其原因是：鐵球運動的過程空氣阻力與其重力相比可以忽略,只有重力做功,所以機械能守恒；而乒乓球所受的空氣阻力與其重力相比不可以忽略,有重力和空氣阻力做功,所以機械能不守恒。

2 研究彈性勢能和動能的相互轉化

實驗器材：木制架、鐵球、2根相同的彈簧、1m長的細繩、水平儀。

實驗過程：如圖2所示,用細繩連接鐵球并懸掛于木制架上,將2個彈簧連接鐵球并固定在木制架上(2個彈簧水平旋轉),將鐵球拉到A點(細線與豎直方向的角度很小,一般小于5°)放手后能在水平面上運動,可以發現鐵球能運動到對稱的A′點。稍微改變A的位置,鐵球還是能運動到對稱的A′位置。

圖2 實驗裝置2

實驗結論：鐵球在運動的過程中,彈性勢能和動能相互轉化,鐵球能運動到對稱的A′點,說明彈性勢能和動能總和不變(只有彈簧彈力做功),即機械能守恒。

3 研究彈性勢能、重力勢能和動能的相互轉化

實驗器材：木制架、不同質量的鐵球、1根彈簧、塑料管(50cm)、細線、水平儀。

實驗過程：如圖3所示,將彈簧下端固定在木制架上,彈簧上端固定一鐵片,使小球能靜止在鐵片上,將細線連到鐵片上,拉細線時可以使彈簧壓縮,再將一塑料管套在彈簧上并固定在木制架上。

圖3 實驗裝置3

將一鐵球放到鐵片上,將彈簧向下拉動一端距離,松手后可以看到鐵球被彈起,且彈簧向下拉的距離越大,鐵球被彈得越高。若彈簧向下拉動的距離一定時,放入的鐵球質量越大,鐵球彈起的高度越低。

實驗結論：彈簧向下拉動一端距離松手后鐵球被彈起的過程中,彈簧的彈性勢能將轉化為鐵球的重力勢能和動能,彈到最高點時,彈簧彈性勢能全部轉化為鐵球的重力勢能。彈簧向下拉的距離越大,鐵球彈得越高,說明彈性勢能越大。當彈簧被拉下一段距離時,彈性勢能是恒定的,質量大的鐵球彈起的高度低,是因為在同一高度質量大的鐵球重力勢能大。開始時彈簧的彈性勢能相同,在最高點時彈簧的彈性勢能全部轉化為鐵球的重力勢能,所以質量大的鐵球彈起的高度低。

4 研究圓周運動的高度條件

實驗器材：木制架、鐵球、鐵釘、1m長的細繩、米尺。

實驗過程：如圖4所示,用1m長的細繩連接鐵球并懸掛于木制架上,在懸掛點的下方距離懸掛點60cm(即3L/5)處固定一個鐵釘。①將鐵球拉到(細線拉直)與懸掛點所在的水平面靜止釋放,可以看到鐵球可以通過最高點即做完整的圓周運動；②如果它在懸掛點以下靜止釋放,鐵球不會穿過最高點,并且不能做完整的圓周運動；③若高于懸掛點靜止釋放,可以看到鐵球可以通過最高點即做完整的圓周運動。

圖4 實驗裝置4

實驗結論：鐵球在鐵釘的限制下,將做半徑r＝2L/5的圓周運動。要想做完整的圓周運動,鐵球在最高點的速度必須大于等于①鐵球從懸掛點靜止釋放時,根據動能定理或機械能守恒可以算出鐵球運動到最高點的速度剛好是所以剛好做圓周運動；②若低于懸掛點靜止釋放,算出運動到最高點的速度小于故鐵球 不能做完整的圓周運動；③若高于懸掛點靜止釋放,算出鐵球運動到最高點的速度大于故鐵球可以做完整的圓周運動。所以鐵球做完整圓周運動的條件是,靜止釋放的高度(釋放的高度是指釋放點到最低點)至少是圓周半徑的2.5倍。

5 研究伽利略斜面實驗(物體的運動不需要力來維持)

實驗器材：木制架、鐵球、PVC線槽。

實驗過程：如圖5所示,將左側PVC線槽固定在木制架上,右側PVC線槽可以放到不同位置(圖中1、2、3處),將鐵球放到左側某一位置靜止釋放(右側放到1位置),鐵球將從線槽滾下,再運動到右側的線槽上,由于摩擦力的存在,可以看到鐵球上升的高度低于釋放的高度；將右側線槽向外移即2位置,再將鐵球放到左側同一位置靜止釋放,鐵球還會運動到右側的線槽上,鐵球上升的高度還是低于釋放的高度,但鐵球運動到右側的距離變大；右側線槽繼續向外移即3位置,鐵球運動到右側的距離繼續變大；若將線槽完全水平放置,鐵球將會一直運動下去。

圖5 實驗裝置5

實驗結論：當鐵球從左側同一位置滾下,右側放得越低,鐵球滾過的距離就越大,若不考慮摩擦,鐵球都會運動到與左側等高的位置；若將線槽完全水平放置,由于鐵球不能運動到原來的高度,則鐵球將在水平面上一直運動下去,不需要力來維持。

6 研究動能定理

實驗器材：木制架、PVC線槽(內側寬度約3.5cm,長約2m)、2 個質量不同的鐵球、木塊(3cm×3cm×5cm)。

實驗過程：如圖6所示,將PVC彎成兩段,并把PVC線槽固定在木制架上,左側傾斜,右端水平,將木塊放到線槽中(木塊始終放在同一位置)。①將同一個鐵球放到左側的線槽中靜止釋放,如果鐵球的釋放高度增加,鐵球推木塊的距離將變長；②如果將不同質量的鐵球放置在左側的相同位置靜止釋放,則質量大的鐵球將木塊推動的距離遠。

圖6 實驗裝置6

實驗結論：鐵球從左側的線槽中靜止釋放,運動到最低點具有一定的動能,在水平一段鐵球將推著木塊一起運動且受到摩擦力(此時合力就等于摩擦力),他們在摩擦力的作用下速度逐漸減小到0(合外力做負功,動能減少),即可以定性探究合外力做功和動能變化量的關系。①釋放高度越高,最低點的動能越大,鐵球推動木塊運動的越遠,說明摩擦力做功越多,即合力做功越多；②質量越大的鐵球,從同一位置釋放,到最低點的動能越大,木塊運動越遠,即合力做功越多。這里可以定性地得到合外力做功越多動能的變化量越大。

7 小結

利用木架可以做出這么多有趣的物理實驗,其實驗效果非常顯著,有利于學生對相關物理概念的理解,激發學生學習物理的興趣。當然物理教師可以利用其他的器材做出更多有趣的創新實驗,更好地為學生和自己的教學服務,追求高效課堂。