彈性勢能探究顯示器的創制及教學

廣東省東莞市橋頭中學(523520) 侯兆軍

新時代物理教學的不斷發展，需要實驗教具同步創新。在原有實驗資源的實用性、安全性、趣味性不能滿足教學要求，特別是教學內容抽象，缺乏探究教具時，我們物理教師應該創新、創制實驗教具，優化教學手段和過程，更高效地實現教學目標。本人針對初中物理“彈性勢能及其影響因素的探究”傳統教學的不足和局限，創制出彈性勢能探究顯示器，明顯提高了教學效果，培養了學生的物理核心素養。該作品也被選拔推薦到廣東省青少年科技創新大賽“科技輔導員項目”中，得到獎勵和推廣。

1 教具制作的必要性

“彈性勢能及其影響因素的探究”是初中物理的重要教學內容，彈性勢能與生產生活關系緊密、應用廣泛，如彈簧、彈性鋼片、橡皮筋、弓箭等；該知識點也是高中物理中彈性勢能計算公式的基礎。由于能量的概念和顯示都比較抽象，所以具有較大的教學難度。

經調查，在目前“彈性勢能及其影響因素的探究”教學中，實驗室沒有配套的專用實驗儀器給學生實驗用。教學中教師一般采取：①定性演示的方法，如用彈簧、橡皮筋的形變對物體做功來演示說明，但未定量測量，且有一定的危險性；②電腦動畫模擬，安全定量但不真實；③用弓箭、彈弓等生產生活工具的使用來說明，情景熟悉但不直觀具體。這些實驗教學方法不夠嚴謹、過程不夠安全、體驗不夠深刻，不能適應實驗教學發展、導致教學難點不能突破，科學的能量觀不能順利建立。

同時，初中物理的相關教學內容，如重力勢能探究、動能的探究等都有配套實物裝置。為了填補彈性勢能探究定量探究教具這一空白，筆者就想制作一種安全、簡便的裝置，使學生通過實驗來探究學習這一內容，以降低教學難度，提高教學效果。

2 實驗原理和制作改進

經過多次構思和試驗，采用“缺點列舉法”“轉換法”“替代法”“組合法”等方法，設計了利用彈簧的彈性勢能不同，推動鋼球在密閉軌道內運動的距離也不同的實驗原理。

首先，選擇大號保健鋼球作為“顯示標志物”，因為它體積大、質量大、光滑易于滾動、可視性強。

其次，設計考慮安全性，把鋼球置于密閉透明的大塑料筒內，安全且可視性強。再次，設計柔性阻擋鋼球前進的材料，先試用過海綿，后定為硬毛刷。最后，定量測量，將塑料軟尺粘在硬毛刷和注射器筒外精確讀值。

主要制作過程如圖1、圖2所示。

圖1 實驗裝置圖一

圖2 實驗裝置圖二

(1)將2個透明圓柱形保鮮盒開口相對，用502膠水粘接成透明大塑料筒,在大塑料筒左上方開口放入鋼球后、嵌入硬毛刷在適當高度懸空固定。

(2)在大塑料筒右側正上方豎直向下割開長20 cm、寬2 mm裂口，插入長條型藍色塑料擋板來固定鋼球,長筒右側面為圓形，正中間開口連接大號注射器筒。

(3)取3個注射器活塞，分別在其黑色圓橡膠帽上嵌入粗細(即硬度)不同、但長度均為100 mm的彈簧A、彈簧B、彈簧C，活塞可以推動彈簧進入注射筒內；為了擋住彈簧，在注射器和保鮮盒接口處插入1枚長鋼針(或細鋼棒)。

(4)為了精確測量長度，在毛刷對應的大圓筒側面和注射器圓筒側面粘上軟尺，零刻度線對準起始位置邊緣，可以直接讀出彈簧長度以及鋼球在刷毛下運動距離。

通過反復實驗，筆者又做了以下改進：

(1)為了保持鋼球在水平軌道前進，將裝置下方兩圓柱形筒接口處削平。

(2)為了提高硬毛刷記錄鋼球前進距離的區分度，將硬毛刷高度適當提高，減小刷毛阻擋面積。

(3)為了便于控制鋼針，將其上方用礦泉水瓶蓋和泡沫塊固定，加上圓形手柄。

3 實驗演示和體驗教學過程

在“探究彈性勢能”教學中，筆者就用自制的“彈性勢能探究顯示器”來教學。當自制實驗器材出現在講臺上時，學生的注意力和好奇心一下子就集中起來了，筆者在引導學生了解實驗器材的原理后進行了如下演示實驗：

(1)將顯示器放在水平桌面，用擋板將鋼球固定在透明大圓筒右端。

(2)在注射器和大圓筒接口處插入鋼針，將鋼球和彈簧臨時分開固定，推動活塞將彈簧A壓縮一定長度，從右軟尺上讀出彈簧形變大小，如ΔL=20 mm。這時彈簧A具有了彈性勢能。

(3)拉出擋板后，迅速提起鋼針，釋放壓縮彈簧A，彈簧恢復原狀,釋放彈性勢能;轉化為鋼球的動能，鋼球快速向左滾動，因為軌道光滑，可把鋼球視為勻速直線運動，直到遇到上方毛刷后，在摩擦力作用下，鋼球滾動很快變慢，在毛刷上滾動一定距離后靜止；最后從左軟尺讀出鋼球推動刷毛的距離，如Δs=20 mm，計入表1。

表1 實驗記錄表

(4)繼續使用彈簧A進行實驗，彈性強弱不變，改變彈性形變大小，如ΔL=40 mm、ΔL=60 mm，進行對比實驗；分析1、2、3次實驗數據，得出實驗結論一：“彈性強弱不變時，物體彈性形變越大，彈性勢能越大”。

(5)然后進行第2個探究活動，控制彈性形變大小相同，如ΔL=60 mm，換用彈簧B和彈簧C進行實驗，改變彈簧粗細即彈性強弱，進行對比實驗，把數據記入表格。分析3、4、5次實驗數據，得到了實驗結論二：“彈性形變相同時，物體的彈性越強、彈性勢能越大。”

總結：彈性勢能決定于彈性形變大小和彈性強弱兩個因素，物體彈性形變越大、彈性越強，彈性勢能越大。

師生合作，利用控制變量法和轉換法，探究了彈性勢能的影響因素，牢固建立了彈性勢能的概念、理解了彈性形變大小、彈性強弱與彈性勢能的關系，輕松突破了教學難點。同時通過彈性勢能與動能的轉化拓展，為后面的“機械能轉化和轉移”學習打下了基礎。

4 教學效果和實驗教具價值

(1)本實驗裝置創設了真實的物理過程，用鋼球的運動和刷毛的形變，化抽象為具體，在體驗中學習，輕易突破教學難點。

(2)實現了準確的定量實驗探究。用注射器控制彈簧的形變大小，用軟尺準確測量相關數據，培養了學生的設計能力和科學素養。

(3)確保安全、制作簡易、操作簡便、效果直觀明顯、性能穩定。

(4)拓展了學習領域，提高了創新實踐能力，有效培養學生科學思維。

5 教具的不足和前景展望

(1)本裝置應該放置在水平的實驗桌面上，若桌面不平，就會影響實驗的精確度，甚至會造成很大的誤差，所以應該在裝置底部加裝一個水平調節器。

(2)鋼針的操作不夠簡便、使用中會有輕微變形，可改成細鋼棒，用彈簧按鈕來控制。

(3)手工制作不夠美觀精致。