“阻力對物體運動的影響”演示實驗的改進

陳丹蓉 鄭淵方

摘 要：“牛頓第一定律”在初中物理教學中占有重要地位，演示實驗“阻力對物體運動的影響”是這節課的重難點.從實際教學中我們發現，該實驗存在實驗現象分離，效果不直觀，操作繁瑣等不足.對此，利用共面導軌組、三孔擋板及輕質小球對該實驗進行改進.改進后的裝置能幫助學生突破障礙，順利得出阻力與物體運動的關系.

關鍵詞：自制教具;牛頓第一定律;實驗;改進

文章編號：1008-4134（2019）22-0019 中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

1 引言

現行的6種初中物理教材在牛頓第一定律一節中均設置了一個重要的實驗“阻力對物體運動的影響”[1].通過讓學生觀察小車在不同粗糙面上具有不同的運動狀態（不同的距離和不同的速度變化），進而引導學生推理得出“若小車不受外力作用，小車將保持原有運動狀態一直運動下去”的結論，由此完成關于“牛頓第一定律”的核心思想的構建[2].而教學實踐表明，該演示實驗未能達成預期的教學效果，對此我們結合教學實踐對該實驗進行了改進，取得了良好的教學效果.

2 教材實驗

2.1 實驗器材

主要器材有：斜面、小車、刻度尺、木板、棉布、毛巾.

2.2 實驗方法

如圖1所示，教師分三次將小車從同一斜面同一高度靜止釋放，分別滑到鋪有毛巾、棉布和木塊的水平面上，學生比較小車在不同水平面上的運動距離，得出“阻力越小，物體運動的距離越遠”的結論;比較小車停下來（即小車到達平面時的初速度由v0減為0）所用時間長短，得出“阻力越小，物體運動的速度變化越慢”的結論[3].接著，教師以有限的實驗現象為墊腳石，引導學生推理得出“若小車不受外力作用，小車將保持原有運動狀態（運動距離無限長和速度不變）”的結論.進而順利引出“牛頓第一定律”.

3 教材實驗的不足

實驗效果不直觀.阻力對物體運動的影響主要有兩方面：距離和速度變化.按照教材的實驗操作，學生能通過實驗現象順利得出阻力對物體運動的影響，但難以比較物體的速度變化快慢[4].原因在于，操作被分成三次進行，實驗現象分離.學生難以對發生在不同時間內的小車的速度變化快慢進行比較.有的教師通過記錄小車停下來所用的時間來描述小車的速度變化，這一方法雖有效幫助學生比較小車的速度變化情況，但給操作帶來了新的負擔.

實驗操作繁瑣：操作中，為了提供不同粗糙程度的導軌就要多次更換接觸面材料;為了確保小車每次都從同一高度釋放，就要畫標記;為了比較小車運動的速度變化，就要記錄小車停下來的時間.繁瑣的實驗操作大大降低了課堂效率.

實驗操作不嚴謹：物體的釋放由教師手動進行，手容易對物體施加某一方向的初速度，從而導致物體進入斜面的初速度大小或方向不相同.

實驗現象不穩定：在實際操作中由于導軌兩側沒有護欄，小車的方向稍有偏差便會駛離導軌;另外，接觸面材料的更換易造成材料與斜面之間形成窄小的“凹槽”，這個“凹槽”常使小車車輪被卡住.這些因素經常阻礙了實驗和教學的順利進行.

4 實驗改進思路

如圖2所示，將三個導軌呈現在同一個演示板上，讓物體的三次運動同時進行，使實驗現象不再分離.實驗時三個物體同時進入導軌，學生只需將視線集中于導軌末端（物體停下來的位置），便能清楚觀察到“毛巾上的物體速度最先減為零，其次是木板上，最后是玻璃上”的實驗現象，進而順利得出“阻力越小，物體運動的速度變化越慢”的實驗結論.

利用三孔擋板控制物體的釋放.三孔擋板的孔間距等于導軌間距，擋板恰好能嵌在三個斜面上.操作時只需將三孔擋板沿垂直于演示板平面的方向迅速抽離，就能獲得三個小球同時從相同高度靜止被釋放的效果.

用體積適中的輕質小球代替小車.為防止小球被“凹槽”卡住，小球的直徑應盡可能大于凹槽.

將導軌略微向內傾斜地安裝在演示板上.如圖3所示，為了讓物體的運動不脫離導軌，安裝導軌時可使導軌與展示板間的夾角小于九十度，從裝置的側面看小球像被嵌在“V”形軌道中.如圖4所示小球運動時始終受到來自導軌斜向上的支持力N，這個支持力有效保障小球不脫離導軌.

5 實驗器材的制作

5.1 制作材料

100cm×80cm的泡沫板2塊，直徑為4cm的泡沫小球3個，泡沫專用膠1瓶，普通膠水1瓶，小刀1把，刻度尺1把.

5.2 制作方法

用小刀裁剪其中1張泡沫板制成3條6cm×100cm的軌道;用普通膠水在三條水平導軌上分別粘上薄毛巾、薄木板和玻璃紙;用泡沫專用膠將三條軌道等間距平行安裝在演示板上;用刻度尺量取軌道間距作三孔擋板的孔距，取剩下的泡沫板制成三孔擋板.

6 實驗器材的使用方法

如圖5所示，實驗開始前將三孔擋板垂直安插在斜面上，三個小球分別放在擋板左側.教師迅速抽離擋板，同時釋放三個小球.

學生觀察小球停下來的先后順序，獲得阻力對小球運動速度變化的影響;學生觀察小球運動的距離，獲得阻力對小球運動距離的影響.引導學生依次填寫表1的第1-3行的“實驗”.

教師根據實驗結果，引導學生進一步推理得出小球在絕對光滑平面上的運動情況，并填寫表1第4行的“推理”，并得出“若小車不受外力作用，將保持原有運動狀態一直運動下去”的推論.

分析實驗過程及表格，構建理想實驗思想，得出牛頓第一定律.

7 實驗改進后的特點

實驗現象直觀.將三個導軌呈現在同一展示板上突破了觀察障礙，使學生能直觀地看到“阻力越小，小球越慢停下來”的實驗現象.

實驗操作簡潔.利用三孔擋板同時釋放三個小球，既釋放了教師的手，又提高了教學效率.

實驗現象穩定.體積適中的小球和略微傾斜的導軌共同幫助小球順利向前運動，減小了偶然因素對實驗的影響.

參考文獻：

[1]占晨達.6種教材“牛頓第一定律”的編排對比和教學研究[J].實驗教學與儀器，2016，33（11）：3-6.

[2]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.物理（八年級下冊）[M].北京：人民教育出版社，2013.

[3]劉友余.“探究阻力對物體運動的影響”實驗改進建議[J].湖南中學物理，2013，28（10）：53-54.

[4]馮錫來.“阻力對物體運動的影響”演示實驗的改進[J].實驗教學與儀器，2018，35（10）：24-25.

（收稿日期：2019-07-06）