利用自制教具探究重力的方向

山東省鄒城市古路口中學 張培平

“重力的方向”是人教版物理教材八年級下冊第七章第3 節的內容。對于該內容，教材和教師教學用書都沒有設計實驗探究，只是簡單地介紹了重力的方向是豎直向下的。然而在教學實踐中，筆者發現，許多學生認為重力的方向既可以理解為豎直向下，也可以理解為垂直向下。即使筆者對此進行糾正，學生還是常常將重力方向畫成垂直向下，這說明依靠記憶無法真正地理解和運用知識。因此，在教學時應讓學生去探究重力的方向，通過親身實驗改變自己的錯誤認識。但由于實驗室沒有探究重力方向的裝置，師生只能自制實驗教具來探究重力的方向。

一、實驗背景

人教版八年級下冊物理教師教學用書建議采用如圖1 所示裝置探究重力的方向。實驗過程如下：讓學生觀察鉛垂線的方向與水平桌面和斜面的關系，以此來區分豎直向下和垂直于接觸面這兩個概念是不同的。此時教師可以從數學角度強調豎直也是一種垂直，是特殊的垂直情況，是與水平面垂直。

圖1

圖2

蘇教版物理教材八年級下冊第八章第二節《重力 力的示意圖》中采用如圖2 所示裝置判斷重力的方向，具體活動設計如下：[猜一猜]物體所受重力的方向是怎樣的？[試一試]用如圖2 所示的器材進行實驗。緩慢改變木板的傾角，觀察懸線的方向。剪斷懸線，觀察小球下落的方向。[議一議]你還能設計出判斷重力方向的其他實驗方案嗎？

不管是人教版教師教學用書還是蘇教版教材，在探究重力方向時都是采用定性研究，無論用圖1 還是圖2 裝置都很難測量鉛垂線與水平面和斜面的夾角，而且不能進行多次實驗。為了定量研究重力方向與水平面和斜面的關系，而且通過多次實驗得出結論，筆者利用日常生活用品制成探究重力方向的實驗裝置。

二、制作材料

廢棄的塑料光具座、兩張光盤、連接光盤用的合頁、螺絲釘、兩個塑料滑塊、帶細線的金屬圓錐體、自動雨傘的兩節金屬桿和螺絲刀、熱熔膠槍等。

三、制作過程

（1）將合頁打開至兩面水平（最大角度180°），將兩張光盤A 和B 用熱熔膠粘貼在合頁兩面上，則兩張光盤相互平行。

（2）在光盤A 上鉆兩個合適的小孔，用螺絲釘將光盤A 固定在塑料滑塊C 上，光盤A 與塑料滑塊C 平行。

（3）將廢棄的塑料光具座拆開，用其中的一個底座和一節雨傘上的金屬桿組成探究重力方向實驗裝置的支架。

（4）將帶光盤的塑料滑塊C 安裝在支架上，由于塑料滑塊與金屬桿垂直，此時光盤與支架底座平行。

（5）在支架的金屬桿上端再安裝一個塑料滑塊D，把另一節金屬桿安裝在塑料滑塊D 的小孔中，擰緊螺絲釘，固定好金屬桿。在金屬桿上拴好帶細線的金屬圓錐體，讓圓錐體穿過光盤B 的小孔。調整好圓錐體與光盤B 中心的位置，使細線不接觸光盤B。探究重力方向的實驗裝置制作完成了，如圖3 所示。

圖3

圖4

注：自制教具要從教材和教學實際需要出發，考慮學科的深度和廣度，盡量做到能根據需求拆卸、組裝，且方便攜帶和保管。

四、實驗過程

（1）探究重力方向與水平面的關系。將支架放在水平工作臺上，轉動合頁使光盤B 至水平方向（如圖3）。待圓錐體靜止時用手機拍照，打開手機量角器APP，測得細線與光盤B 間的夾角為90°，說明重力方向與水平面垂直。

（2）探究重力方向與斜面的關系。轉動合頁，使光盤B 變成傾斜面（如圖4）。待圓錐體靜止時用手機拍照，并用手機量角器APP 測得細線與光盤B 間的夾角小于90°，說明重力方向與斜面不垂直。

（3）將圓錐體從光盤B 的小孔中取出，轉動合頁，使光盤B 與光盤A 垂直，調整鉛垂線位置，使其靠近光盤B，觀察發現鉛垂線與光盤B 平行。

（4）多次實驗表明，重力方向只與水平面垂直，不與斜面垂直。實驗證明重力方向是豎直向下而非垂直向下。

五、實驗評價

（1）實驗裝置制作材料易得，制作過程簡單，便于開展分組實驗。廢棄光盤、雨傘金屬桿、合頁和細線，生活中可以很容易找到。實驗室每年配置新式光具座，將老式光具座變廢為寶，每個光具座可以制作兩個支架。只需螺絲刀和熱熔膠槍等簡單工具，就能輕松組裝探究重力方向的實驗裝置。足夠的裝置方便在課堂上進行分組實驗，學生通過做、學、思，總結歸納出重力的方向，這樣不僅提高了學生的觀察能力和思維能力，還提高了課堂的教學效率。

（2）實驗操作簡單，效果明顯。小組進行實驗時，只需轉動合頁，就能輕松調節光盤B 與水平面的角度。實驗現象直觀明顯，通過觀察和測量，很容易得出實驗結論。實驗完成后，通過拆卸，可以方便地保管實驗器材。

（3）將定性研究變為定量研究，使實驗結論更可靠。測量細線與光盤的夾角時，可以使用量角器測量，也可以使用手機量角器APP 測量，將信息技術與物理學科教學融合起來，從而更好地服務于學科教學。

六、結束語

物理教學要通過自制教具扎實開展實驗教學，從而提高學生的動手能力、觀察能力、分析和解決問題能力，提升學生的思維品質，培育其學習興趣、創新精神和意志品質，提高學生的科學素養。