火車轉彎問題實驗群

關世彪 馬經偉 張國棟

摘 要：針對火車轉彎問題制作了三組教具，模擬了火車平面與斜面轉彎問題，豐富了演示實驗手段.有助于學生形成清晰的科學觀念，建構合適的物理模型，為學生進行以后的科學探究做準備.

關鍵詞：實驗群開發;自制教具;火車轉彎

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）19-0049-02

作者簡介：關世彪（1975-），男，黑龍江雙城人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理教學;

馬經偉（1992-），男，黑龍江大慶人，本科，中學二級教師， 研究方向：中學物理教學.

通訊作者：張國棟（1981-），男，河北清苑人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理教學.

對于火車轉彎問題，課程標準中提到“建議調查鐵路拐彎處兩條鐵軌間的高度差異”，人教版教材在“生活中的圓周運動”中也列舉了轉彎實例.火車雖然常見，但學生對車輪構造，輪緣作用，平面和斜面轉彎時模型的建立、理論分析等存在困難.為了模擬更加真實的情景，筆者制作了火車轉彎問題演示教具.

1 火車水平轉彎

1.1 器材介紹

火車玩具套裝（如圖1），錫箔紙自制電刷（如圖2），電池組，藍色、綠色發光二極管等（如圖3）.

1.2 實驗原理與關鍵點

電路圖如圖4所示.

實驗原理：利用火車輪緣（粘貼導電鋁箔）與鐵軌（粘貼導電鋁箔）之間接觸作為開關，控制相應側的發光二極管發光，表現輪緣與鐵軌間存在相互作用力.火車轉彎時，由于火車需要指向圓心的向心力，所以外側輪緣會與外側軌道接觸擠壓，進而接通外部軌道電路，外側軌道處的發光二極管發光.

實驗關鍵點：導電輪緣與電路連接需要電刷聯通，電刷使用了彈性強的導線內芯制成;導電鐵軌鋪設導電鋁箔時，鋁箔要延伸到軌道水平部分，車載電刷與水平部分鋁箔聯通，以達到運動中保持良好接觸.為了提升火車的轉彎速度，可將火車自帶的4.5V電源改成9V電源.

1.3 演示步驟

先用手將火車分別觸碰貼有錫紙的直軌道，將火車受力方向與亮燈情況聯系起來.火車平面轉彎時，引導學生觀察火車內側、外側的亮燈情況，進而說明火車平面轉彎時擠壓外側軌道.

2 火車斜面轉彎與聲音組件結合

2.1 實驗器材

鋼球用來模擬過彎道的火車，木支架與窗簾軌道組合（如圖5）使鋼球進入軌道時具有不同的速度，帶有傾斜盆沿的透明盆作為傾斜軌道（如圖6），辦公用資料夾的外殼作為內外軌，銅片與易拉罐做接觸開關（如圖7），可錄音的小喇叭（如圖8）作為高、低速過彎道時的語音提醒.

2.2 實驗原理與關鍵點

調節鋼球在傾斜軌道上的位置可以改變球進入傾斜盆沿的速度大小，如果位置合適，球可以既不擠壓內軌道也不擠壓外軌道.如果釋放位置更高，球會擠壓外軌的接觸開關，賀卡會播放事先錄入的聲音：“火車已經超速，請減速慢行.”同理，如果釋放位置偏低，內軌開關接通，也會聽到提示音：“火車車速過慢，請加速.”由于易拉罐制作的開關韌性很好，可反復多次實驗.

關鍵點：一是易拉罐制作的接觸開關位置應盡量靠近軌道，位置過高會發生球擠壓不到開關的現象;二是內外軌上的接觸開關需要前后錯開一定位置，以免誤觸.

2.3 演示步驟

先進行器材介紹，用手指分別觸碰內外軌道的接觸開關，讓學生聽提示.然后將鋼球分別從不同的高度釋放，演示其發生不擠壓（實際上完全不觸碰接觸開關很難，但如果擠壓力度不大，開關也不會報警）軌道、擠壓外軌、擠壓內軌三種情況.

3 火車坡路轉彎與發光組件結合

3.1 實驗器材

有機玻璃管，紐扣電池，手動開關，軟導線，藍、綠兩色發光二極管，硬彈簧，硬導線（沿彈簧軸線插入），鋼球（如圖9）.

3.2 實驗原理與關鍵點

電路圖如圖10所示.手按壓力開關（按下導通，放開斷路）與由硬彈簧、硬導線、鋼球組成的接觸開關串聯在電路中，手按壓力開關是為了防止由于玻璃管擺放位置不當造成的電路導通的現象.教具制作的難點是彈簧、導線頭、鋼球間的位置關系，硬質導線需要比彈簧稍微短一點，但如果短太多，靈敏度不夠，效果不好.

3.3 演示步驟

先進行電路與接觸開關的介紹，演示鋼球觸碰兩側彈簧時亮燈情況.接著將玻璃管傾斜模擬火車斜軌道，在水平方向以適當的速度轉動，當轉速合適時沒有燈發光;當轉速過慢時，內側燈發光;當轉速過快時，外側燈發光.

此外，本實驗能夠很好說明球在豎直圓周最高點時的桿球模型問題，該教具正在申請專利，已經取得初步成果.

最后，關于鐵軌和車輪的演示模型，現在可以買到很多等比例縮小的鋼軌和車輪.完全可以改成分組實驗，讓學生親身感受一下，在此就不贅述了.

參考文獻：

[1]王興乃.高中物理實驗大全[M].北京：電子工業出版社，1988.

（收稿日期：2021-07-01）