利用自制教具改進(jìn)“動(dòng)能、勢(shì)能、機(jī)械能”實(shí)驗(yàn)

施邱瑾

(江蘇省如東新區(qū)初級(jí)中學(xué) 226400)

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科.實(shí)驗(yàn)教學(xué)貫穿于整個(gè)物理學(xué)習(xí)中，是物理教學(xué)的重要手段.物理實(shí)驗(yàn)生動(dòng)、鮮明、可見度高，不僅能向?qū)W生提供豐富的感性材料，而且能形象、直觀地揭示物理概念和物理規(guī)律的本質(zhì)，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，促進(jìn)學(xué)生能力提升.現(xiàn)行初中物理教材的大部分實(shí)驗(yàn)操作性強(qiáng)、效果顯著，但也有少部分實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際操作中不易成功或現(xiàn)象不明顯，對(duì)物理教學(xué)產(chǎn)生一定的影響.筆者通過(guò)自身反復(fù)實(shí)踐，對(duì)蘇科版第十二章第一節(jié)《動(dòng)能勢(shì)能機(jī)械能》的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了一些改進(jìn)與開發(fā)，克服了原實(shí)驗(yàn)裝置中的不足，提高了實(shí)驗(yàn)的成功率，取得較好的課堂教學(xué)效果.

一、教材裝置的缺陷分析

1.動(dòng)能影響因素探究實(shí)驗(yàn)的不足

如圖1所示，課本是以運(yùn)動(dòng)的小車為研究對(duì)象，木塊為觀察對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的.這些實(shí)驗(yàn)器材取材方便，但若學(xué)生實(shí)驗(yàn)，會(huì)存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

(1)實(shí)驗(yàn)中小車運(yùn)動(dòng)的軌跡不一定是直線，會(huì)出現(xiàn)偏離軌道或無(wú)法保證成功撞擊到木塊中心；

(2)車從斜面上運(yùn)動(dòng)到水平面時(shí)有撞擊，能量有所損失，加之木塊質(zhì)量較大，木塊被推出的距離短，做功現(xiàn)象不明顯；

(3)用一個(gè)木板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，只能觀察到一次現(xiàn)象，對(duì)木塊移動(dòng)距離的比較不是很直觀.

2.重力勢(shì)能影響因素探究實(shí)驗(yàn)的不足

如圖2所示，課本是以“模擬打樁”的活動(dòng)，以木塊為重錘，小桌為樁，通過(guò)小桌子陷入沙坑中的深度來(lái)反映重力勢(shì)能的大小.但本實(shí)驗(yàn)有也有不足之處：

(1)重錘從一定高度自由下落時(shí)，無(wú)法保證恰巧撞落在小桌中心，導(dǎo)致小桌歪斜，四只桌腿的下陷深度明顯不同，導(dǎo)致難以觀察或?qū)嶒?yàn)無(wú)效；

(2)小桌下陷距離現(xiàn)象不明顯，不管是測(cè)量還是做標(biāo)記，比較時(shí)不很直觀.

3.資源利用率低

課本中的實(shí)驗(yàn)器材比較多，準(zhǔn)備起來(lái)比較麻煩.而且每個(gè)器材基本都是只用一次，無(wú)法達(dá)到重復(fù)使用的目的.

二、實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)與創(chuàng)新

出于以上問(wèn)題的思考，基于對(duì)實(shí)驗(yàn)直觀、明顯、簡(jiǎn)單、可靠的改進(jìn)原則，筆者對(duì)器材進(jìn)行了如下的改進(jìn)與創(chuàng)新.

1.實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備

器材：6mm直徑的不銹鋼管、30g塑料球一個(gè)、130g鋼球兩個(gè)、50g塑料瓶?jī)蓚€(gè)(裝有沙子)、彈簧、直徑60mm的塑料小桶、不銹鋼文具夾、木夾子等，見圖3.

制作：①截取4根1米長(zhǎng)的不銹鋼管，按比例制成一部分水平一部分傾斜的兩列平行導(dǎo)軌，斜面與水平面約成30°，銜接處壓制成圓弧狀.②將直徑60mm的塑料小桶沿一直徑進(jìn)行穿孔(位置在開口附近處)，用銅絲將兩不銹鋼文具夾反方向固定在兩開口處，如圖4所示.

2.探究動(dòng)能大小的影響因素

本裝置以小球代替小車，瓶子代替木塊，通過(guò)瓶子被球推出的距離反映動(dòng)能的大小.圖5為“探究動(dòng)能大小與速度關(guān)系”的過(guò)程，圖6為“探究動(dòng)能大小與質(zhì)量關(guān)系”的過(guò)程，均取得較為理想的教學(xué)效果.

改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)：

(1)軌道保證了小球的運(yùn)動(dòng)路線，確保小球準(zhǔn)確無(wú)誤撞擊到瓶子中心；

(2)可以通過(guò)裝有沙子多少控制瓶子的質(zhì)量，使球始終推動(dòng)瓶子向前運(yùn)動(dòng)，不會(huì)在推動(dòng)過(guò)程中反彈，且鋼球推動(dòng)瓶子運(yùn)動(dòng)距離長(zhǎng)，做功現(xiàn)象非常明顯；

(3)雙軌設(shè)計(jì)可使兩球同時(shí)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)象更直觀明顯，直接比較，無(wú)須測(cè)量或作標(biāo)記；

(4)可以直觀的演示信息快遞中的內(nèi)容，使學(xué)生對(duì)于“從斜面同一高度靜止釋放的小球會(huì)不會(huì)因質(zhì)量不等而速度不同”的疑慮消除.

3.探究重力勢(shì)能大小的影響因素

如圖7所示，把裝置豎直放置，利用文具夾將直徑為60mm的塑料小桶安裝在中間的大軌道，塑料小桶可上下活動(dòng).將塑料小桶比作樁，將小球比作重錘，即可以進(jìn)行重力勢(shì)能影響因素的探究實(shí)驗(yàn).

(1)探究重力勢(shì)能大小與高度的關(guān)系(如圖8所示)

將一個(gè)鋼球從不同高度自由釋放，觀察小桶被球推落距離的長(zhǎng)短，利用木夾子作標(biāo)記展示出小桶下落距離，直觀比較兩球重力勢(shì)能的大小.

(2)探究重力勢(shì)能大小與質(zhì)量的關(guān)系(如圖9所示)

將一個(gè)鋼球與一個(gè)塑料球從同一高度自由釋放，觀察小桶被球推落距離的長(zhǎng)短，根據(jù)木夾子標(biāo)記位置比較兩球重力勢(shì)能的大小.

改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)：

(1)可視度高：能清晰看出小球使桶下落了一段距離，做功現(xiàn)象明顯；

(2)操作容易：小球只要落入瓶中，不用擔(dān)心瓶子歪斜不易比較的問(wèn)題；

(3)便于對(duì)比：通過(guò)夾子做標(biāo)記，可容易控制小球下落的高度相同或不同，同時(shí)直觀地比較小桶下落距離的長(zhǎng)短.

4.探究彈性勢(shì)能大小的影響因素

在水平軌道尾部卡一彈簧(將彈簧焊接一鐵片，將鐵片壓制出一凹槽鑲嵌在尾部支架上，以增強(qiáng)彈簧穩(wěn)定性)，用瓶子壓彈簧，使彈簧的彈性形變大小不同，松手后觀察瓶子被彈出的距離，即可演示物體彈性勢(shì)能與彈性形變大小的關(guān)系，見圖10、圖11所示.

5.觀察動(dòng)能和勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化

在水平軌道的末端固定彈簧，讓鐵球從坡頂自由滾入水平軌道，觀察到球滾動(dòng)至水平軌道末端，與彈簧碰撞后球又被反彈的過(guò)程，說(shuō)明動(dòng)能與勢(shì)能之間可以相互轉(zhuǎn)化，如圖12所示.

以上實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)，與教材實(shí)驗(yàn)裝置相比，實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，能清晰顯示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，直觀、完整地證明物理規(guī)律.而且創(chuàng)新裝置彌補(bǔ)了教材實(shí)驗(yàn)組合的不足，一個(gè)器材可做多個(gè)實(shí)驗(yàn)，利用率高，起到節(jié)時(shí)高效的教學(xué)效果.