一個注射器一根軟管改進曲線運動兩個演示實驗

閆毅成

(江蘇省豐縣中學 221700)

課本實驗設計中探究曲線運動方向實驗所用的軌道不易找尋，使用墨水顯示墨跡不易清潔，鋼球滾動時會造成墨水的飛濺.探究曲線運動條件實驗受桌面平整度和磁鐵磁性的影響，鋼球的運動軌跡難以控制，并且實驗演示效果差強人意.筆者結合實際操作的過程，對這兩個實驗進行了相關的改進.

一、曲線運動的速度方向

教材初始設計：把彎曲的軌道鋪在水平桌面上，它由幾段稍短一些的軌道構成.實驗時由彈簧或者斜面給鋼球一個初速度使鋼球進入軌道，鋼球受到軌道的約束做曲線運動.在軌道的入口處滴入墨汁，軌道的下方鋪上一層白紙，鋼球在進入軌道時會蘸上墨汁然后在白紙上留下運動軌跡.

依據這樣的實驗設計思想，筆者展開了相關的探索.

實驗方案一：使用泡沫板制作軌道

由于實驗室很難找到與實驗要求匹配的軌道，筆者決定自制.泡沫板具有易于加工的特點，為此我首先想到利用泡沫板制作，變廢為寶.

制作方法：

(1)在平整的泡沫板上使用黑色記號筆畫出曲線軌道(軌道的寬度略大于實驗用鋼球直徑)

(2)用美工刀沿著軌跡將軌道裁下來，裁剪時注意保持軌道內壁平整.

(3)將制作好的泡沫軌道分割成3個部分，并且要使用圖釘或者大頭針固定在木板上.

實驗時，使用小鋼球從斜面頂端釋放或者利用壓縮彈簧給鋼球一定的初速度使鋼球進入軌道.不過利用這個自制器材在實際操作時實驗效果也比較一般，原因在于(1)由于泡沫板材質較輕，使用時需要將泡沫板固定結實，否則由于鋼球的撞擊，無法達到約束鋼球做曲線運動的目的.(2)由于泡沫材質較軟，鋼球在沿曲線運動時和泡沫板之間發生碰撞，能量損失較大，鋼球速度衰減較快，如果在一開始鋼球的初速度不夠大，甚至無法從軌道的另一端滾出，所以操作時要選用勁度系數較大的彈簧或者讓鋼球沿斜面的較高處下落(3)運動軌跡的顯示，使用的是課本推薦方法用蘸了墨水的鋼球在白紙上顯示出運動的軌跡，但是由于鋼球的轉動，不可避免的造成墨水飛濺，手上，衣服上都沾上墨水，這也是為什么很多老師不愿意做這個實驗的原因.基于以上問題軌道的制作建議采用硬質材料，但是這樣會造成制作的困難.關于軌跡的顯示可以使用練習書法用的水寫布代替.它具有以下特點，使用清水在水寫布上書寫時，會留下黑色字跡，水干后字跡會消失，清潔環保.在后續的實驗中筆者使用水寫布代替墨水不僅干凈衛生，實驗效果也很好.

由于第一種實驗方案實驗效果不太理想，且制作軌道比較麻煩.筆者又想到實驗方案二利用彎管充當軌道.操作步驟：

(1)將軟管彎成任意形狀，用記號筆沿著軟管外壁畫出軌跡彎曲的形狀.

(2)用注射器在管口末端注射一定量的水，鋼球從較高一側的管口釋放，鋼球在重力的作用下加速，從另一側的管口離開時會在水寫布上留下一條運動的軌跡，學生觀察水寫布上的軌跡與軌道曲線有怎樣的關系.

實驗注意事項：

(1)軟管可以選用PVC鋼絲透明軟管，這種軟管由于里面有鋼絲可以提供支持力，即使將軟管彎曲也有足夠的空間可以使鋼球在管道中運動.

(2)末端的管口要貼在水寫布上，實驗時管道要彎曲成任意形狀，讓實驗結果具有普適性，同時使用記號筆記錄下管道的彎曲形狀以便于探究鋼球出射時速度方向和運動軌跡的關系.

采用這種方案鋼球留下的運動軌跡比較清晰，能夠明顯的看出鋼球的速度方向與運動軌跡相切.缺點是對于管道有一定的要求，需要在折彎成任意形狀的時候，管壁能都提供一定的支撐，給鋼球的運動留下足夠的空間.鋼球和管道存在一定的摩擦力，為保證實驗的成功率，釋放時要適當提升一些高度.

基于實驗方案二的思考，既然我們可以彎曲的管道代替一般曲線運動的路徑，那么我們嘗試使用注射器和軟管組合，用噴出的水流方向代替鋼球滾動時運動軌跡的方向.

實驗方案三：用注射器吸取一定的清水，取一段較細的軟管一端安裝在注射器上，并把細管彎折成任意曲線形狀，用力擠壓注射器，水流從細管中流出，在水寫布上可以顯示出運動軌跡.實驗注意事項：(1)軟管的選擇一定要細，否則從注射器中擠出的水太多，就不能很好的顯示出軌跡.我采用的細管是打吊水上面用的軟針頭，它一端可以完美的接在注射器上，另外一端由于比較細，給注射器施加較大的壓力，也不會造成水量過多，而且較大壓力會使水流的初速度較大，在水寫紙上顯示出來的運動軌跡效果更好.(2)軟管的末端一定要保持水平并緊貼在水平放置的水寫布上.

二、曲線運動的條件

教材上探究物體做曲線運動的條件，實驗設計讓一小鋼球在水平面上做直線運動，從側面給它施加一個力，觀察鋼球在磁體的吸引下怎么運動，引導學生思考得到物體做曲線運動的條件.本實驗在實際操作時，卻存在各種問題(1)受桌面平整度和摩擦力的影響，很難保證鋼球能夠做直線運動，很多情況下是鋼球在運動過程中就自行偏離原來的運動方向了(2)課本設計利用磁鐵從側面給鋼球施加吸引力，使鋼球偏離原來的方向，這個理論上是沒有問題的，但是實際操作的時候受磁鐵引力大小和放置位置的影響，鋼球經過磁鐵放置處如果距離過小，鋼球很容易被磁鐵吸引，實驗失敗.如果距離過大，鋼球偏轉不明顯，不容易觀察到實驗現象.基于此，課本實驗的設計并不易于操作，受演示時條件的制約較大，且需要花費較多的時間，多次實驗才有可能成功.

受到探究曲線運動速度方向實驗的啟發，筆者做出以下改進，使用注射器和軟管也能很好的完成這個實驗.實驗時按壓注射器，讓水流向各個方向噴出(1)學生體會在哪個方向上能得到直線運動(2)由于水流的速度較小，忽略空氣阻力，畫出水流的運動軌跡，并在軌跡上選擇幾點畫出速度方向和受力分析圖.

采用這個設計方案，實驗的可操作性大幅提高.由于重力的作用，學生只有讓水流豎直向上或者豎直向下噴出的時候才能得到直線的運動軌跡，其余方向噴出的水流運動軌跡都是曲線，實驗現象非常明顯.實驗操作完成后筆者讓學生繪制出水流的運動軌跡，并且在軌跡上選出一些點，標出速度方向以及受力方向.學生把繪制出的直線運動速度方向與力的關系和曲線運動速度方向與力的關系進行比較，很容易就得到物體做曲線運動的條件.教師在加以引導，關于曲線運動的一些特點(1)合外力指向運動軌跡的凹側(2)軌跡夾在速度方向和合外力方向之間(3)物體做加速曲線運動和減速曲線運動的條件，學生通過觀察繪制出的圖像在經過分析后也可以一并得出.

經過上述的改進，實驗的可操作性變得更強.尤其是第二個實驗的改進，學生通過做出運動軌跡圖像，受力分析后不僅可以得到曲線運動的相關條件還可以得到曲線運動的相關規律.另外由于改進后實驗器材變的容易獲取，所以可以把演示實驗變成分組實驗，即可以提升學生參與課堂教學的積極性和探究的精神，又注重知識生成的過程增加學生的學習興趣.