自制相對運動實驗裝置

原實驗不足

“用相對于另一個物體的方向和距離來描述運動物體在某個時刻的位置”是3～4年級的學(xué)習(xí)內(nèi)容。有關(guān)物體的運動，學(xué)生擁有豐富的生活經(jīng)驗，但這些經(jīng)驗往往存在一定的局限性。在四年級《車動了嗎》一課教學(xué)中，部分學(xué)生在描述相對運動時，因為思維定式總以地面為參照物，無法理解運動物體間的相對靜止；由于缺乏相對運動的實驗裝置，學(xué)生僅僅作為旁觀者，通過觀察圖片和視頻、依靠個人想象和分析把自己代入運動物體的視角，難以體會和感受相對運動或相對靜止，這不利于他們構(gòu)建相對運動知識。

實驗器材

公交車、站臺、學(xué)校、司機、乘客、樹木等元素：利用激光切割設(shè)備，組建出學(xué)生非常熟悉的生活場景。

機器人小車：2輛有機器人模塊提供動力的小車（模擬公交車），1輛無動力的小車。

無線攝像頭：2個無線攝像頭模擬人眼，可以根據(jù)需要安裝在不同的位置，顯示不同的視角。

顯示器：實時顯示無線攝像頭看到的畫面。

計時裝置：軌道（1米長）的起點和終點裝有2個光電傳感器，記錄小車通過的時間，并顯示在計時器的屏幕上。

實驗操作

1.相對運動實驗

將無線攝像頭擺放在路邊并朝向馬路（該攝像頭模擬靜止的路人），1號公交車從攝像頭前方駛過。學(xué)生通過觀察攝像頭拍攝的畫面，體會到以路人為參照物，在路上行駛的公交車是運動的。

將無線攝像頭擺放在2號公交車上，攝像頭朝向路邊（該攝像頭模擬公交車上的乘客）。啟動公交車，學(xué)生觀察攝像頭拍攝的畫面，體會以路邊樹木、路牌為參照物，在路上行駛的公交車是運動的。

通過編程調(diào)節(jié)1號公交車的車速為2號公交車的2倍，兩車同向而行。將無線攝像頭放置在1號公交車上并朝向2號公交車（該攝像頭模擬快速行駛的公交車上的乘客），同時啟動兩輛公交車。學(xué)生觀察攝像頭拍攝的畫面，體會以快速行駛的公交車為參照物，慢速行駛的公交車是向后運動的（如圖1）。

2.相對靜止實驗

將無線攝像頭放置在公交車上，并在攝像頭前安裝一塊貼有乘客的擋板（該攝像頭模擬公交車上的乘客），啟動公交車，學(xué)生觀察攝像頭拍攝的畫面，體會以車廂為參照物，車上的乘客是靜止的。

準(zhǔn)備一輛有動力公交車和一輛無動力公交車，兩輛公交車之間用木板連接，以確保它們以相同的速度運動。將無線攝像頭放置在有動力的公交車上，并朝向無動力公交車（該攝像頭模擬有動力公交車上的乘客），在無動力公交車上安裝一塊貼有司機圖案的擋板，且擋板朝向有動力公交車。啟動公交車，兩輛公交車以相同的速度同向而行。學(xué)生觀察攝像頭拍攝的畫面，體會以相同速度行駛的車輛為參照物，車輛是相對靜止的（如圖2）。

3.選擇不同參照物的相對運動實驗

準(zhǔn)備一輛有動力公交車和一輛無動力公交車，兩輛公交車之間用木板連接，以確保它們以相同的速度運動。在無動力公交車上安裝一塊貼有司機圖案的擋板，且擋板朝向有動力公交車。將兩個無線攝像頭安裝在有動力的公交車上，其中一個攝像頭朝向路邊，另一個攝像頭朝向無動力公交車。啟動公交車，學(xué)生分別觀察兩個攝像頭拍攝的畫面，體會以路邊景物為參照物，公交車是運動的；而以相同速度同向而行的車輛為參照物，公交車是靜止的（如圖3）。

4.相對速度實驗

將兩個無線攝像頭安裝在1號公交車上，其中一個攝像頭朝向路邊，另一個攝像頭朝向公交車的前進(jìn)方向。同時啟動1號、2號公交車，使兩輛公交車相向而行。學(xué)生分別觀察兩個攝像頭拍攝的畫面，比較兩個畫面景物變化的速度，體會兩輛公交車相向而行時的相對速度比實際速度要快得多（如圖4）。

5.測量小車的平均速度實驗

軌道起點與終點相距1米，起點和終點各設(shè)有一個光電傳感器，并與計時器連接。把一輛有動力的小車放置在軌道的起點處，同時啟動計時器和小車，待小車通過終點后，記錄此時計時器顯示的時間。學(xué)生根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)，即可通過簡單的計算得出小車的平均速度。學(xué)生可以通過編程改變小車的速度，進(jìn)行多次實驗，熟練掌握測量和計算小車平均速度的方法。

實驗優(yōu)點

實驗現(xiàn)象可視化。借助無線攝像頭及顯示器，使抽象的相對運動變得具體、真實。通過無線攝像頭獲取的畫面以第一視角呈現(xiàn)給學(xué)生，實現(xiàn)多種情境的真實呈現(xiàn)，學(xué)生仿佛置身其中，直觀地感知相對運動或相對靜止，有效地突破了教學(xué)難點。

實驗操作簡便。教具使用前，只需通過軟件將顯示器與無線攝像頭連接好；實驗中，通過改變無線攝像頭放置的位置，即可創(chuàng)設(shè)多種實驗情境，還可實現(xiàn)不同參照物之間的流暢切換。

實驗內(nèi)容拓展性強。該教具不僅能完成涉及相對運動知識的多個實驗，還能完成測量小車運動速度實驗。教師還能利用該教具創(chuàng)設(shè)更多的情境，進(jìn)一步加深學(xué)生對相對運動的理解和應(yīng)用。

外觀設(shè)計生活化。該教具創(chuàng)設(shè)的相對運動情境均來源于學(xué)生的日常生活，采用公交車、站臺、司機、乘客等元素，貼近學(xué)生的生活，讓學(xué)生感受到生活中處處有科學(xué)。

（作者單位：廣東省中山市黃圃鎮(zhèn)吳欄小學(xué)）