自制動(dòng)能探究儀 提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效能

吳春良

（蘇州市吳江盛澤中學(xué)，江蘇 蘇州 215228）

在實(shí)際教學(xué)過程中，我們往往會通過大量的演示實(shí)驗(yàn)來幫助學(xué)生理解概念與規(guī)律.除了課本上列舉的演示實(shí)驗(yàn)外，我們還應(yīng)提倡通過自制教具或改進(jìn)教具來進(jìn)行演示，這樣不僅改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件，還進(jìn)一步提升了教與學(xué)的探究空間.在《物理新課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出：“科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是重要的教學(xué)方式之一.”可見，科學(xué)探究過程和方法有多么重要，正確地掌握物理實(shí)驗(yàn)的探究方法，有助于揭示要研究的物理現(xiàn)象、物理規(guī)律的本質(zhì)屬性和內(nèi)部規(guī)律.下面筆者針對高中物理必修2中“動(dòng)能、動(dòng)能定理”一節(jié)，闡述如何通過自制教具來提升演示實(shí)驗(yàn)效果.

眾所周知，動(dòng)能是由于物體運(yùn)動(dòng)而具有的，運(yùn)動(dòng)物體可對外做功，質(zhì)量和速度越大，動(dòng)能就越大，物體對外做功的能力也越強(qiáng).所以說動(dòng)能表征了運(yùn)動(dòng)物體做功的一種能力.另外，功是能量轉(zhuǎn)化的量度，我們可以通過做功來實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)化.動(dòng)能及動(dòng)能定理是高中物理的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容，是用能量觀點(diǎn)解決問題的重要方法，是高考中必考的內(nèi)容之一，并且所占的比重非常大，所以在教學(xué)過程中我們應(yīng)有意識地去通過實(shí)驗(yàn)來加深學(xué)生對概念、規(guī)律的理解，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的多種感官來探求并接受新的知識.

1 原有實(shí)驗(yàn)重現(xiàn)

課本上動(dòng)能探究實(shí)驗(yàn)方法如下：如圖1所示，小車在橡皮筋的作用下彈出，沿木板滑行.當(dāng)用2條、3條……同樣的橡皮筋進(jìn)行第2次、第3次……實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋拉伸的長度都保持一致，那么，第2次、第3次……實(shí)驗(yàn)中橡皮筋對小車做的功就是第1次的2倍、3倍……如果把第1次實(shí)驗(yàn)時(shí)橡皮筋做的功記為W，以后每次做的功就是2W、3W……

由于橡皮筋做功而使小車獲得的速度可以由紙帶和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測出，也可以用其他方法測出.這樣，進(jìn)行若干次測量，就得到若干組速度的數(shù)據(jù).

圖1

以橡皮筋對小車做的功為縱坐標(biāo)，小車獲得的速度為橫坐標(biāo)，以第1次實(shí)驗(yàn)時(shí)的功W為單位，作出W-v曲線，即功－速度曲線.分析這條曲線，可以得知橡皮筋對小車做的功與小車獲得的速度的定量關(guān)系.因小車動(dòng)能的多少可通過橡皮筋給它做功的多少來得到，所以通過以上方法可以得出動(dòng)能與速度之間的關(guān)系.

此方法在定量測量上有它的優(yōu)勢，但也存在一定的不足.（1）動(dòng)能與質(zhì)量的關(guān)系未能獲得，但可通過改變小車的質(zhì)量來進(jìn)行彌補(bǔ)；（2）實(shí)驗(yàn)用時(shí)較長，往往需一課時(shí)才能完成；（3）實(shí)驗(yàn)誤差較大，因小車與木板間，紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間存在摩擦且較難抵消；（4）實(shí)驗(yàn)器材較多，不便攜帶，靈活性不夠，及很難找到完全相同的橡皮筋等，在只需定性了解動(dòng)能與質(zhì)量、速度間關(guān)系時(shí)體現(xiàn)不出優(yōu)勢.

2 自制儀器呈現(xiàn)

如何快速并較準(zhǔn)確地探知?jiǎng)幽芘c質(zhì)量、速度的關(guān)系，讓它成為課堂上的一個(gè)重要探究點(diǎn)，筆者利用實(shí)驗(yàn)室零散器材組裝了一個(gè)動(dòng)能探究儀（如圖2、3所示），在課堂教學(xué)過程中成為一個(gè)亮點(diǎn)，取得了較好的效果.

材料：可調(diào)水平的底座、雙桿支架、長方體物塊、可定位指針、鋼球、塑料球、示教量角器、線等.

制作：如圖3所示，將示教量角器倒立固定于雙桿支架，長方體物塊做成四線擺形式，鋼球和塑料球均采用雙線擺形式.

圖2

圖3

注意點(diǎn)：底座應(yīng)具有調(diào)水平功能，以便在不同實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)進(jìn)行水平調(diào)節(jié).雙桿支架可有效固定量角器和上端懸掛平臺，穩(wěn)定性好，優(yōu)于單桿支架.物塊端面應(yīng)平整，采用四線擺形式，四線上端有可調(diào)高度螺母，可隨時(shí)調(diào)節(jié)物塊狀態(tài)，確保有效碰撞并能平穩(wěn)擺動(dòng).鋼球和塑料球均采用雙線擺形式，使其擺動(dòng)在一個(gè)平面內(nèi)，并使二球球心位置與物塊端面中心點(diǎn)位置對應(yīng).指針必須具有定位能力，可在轉(zhuǎn)軸中加彈簧，調(diào)節(jié)螺絲至松緊適度即可，太松會導(dǎo)致不能定位，太緊則會影響轉(zhuǎn)動(dòng).

原理及方法：利用物體具有能量的特征是能對外做功，且功是能量轉(zhuǎn)化的量度，所以想要知道物體動(dòng)能的大小可通過它對外做功情況來判定.利用轉(zhuǎn)換思想結(jié)合控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

步驟：先保持質(zhì)量不變，即用同一個(gè)球（如鋼球）從不同擺角處下擺至最低點(diǎn)與物塊碰撞，觀察物塊的擺動(dòng)幅度，擺動(dòng)幅度可由定位指針顯示出來.結(jié)論：小球擺角越大，則被撞物塊擺動(dòng)幅度越大，說明小球?qū)λ龉υ蕉?進(jìn)一步說明小球擺至最低點(diǎn)時(shí)動(dòng)能越大，即在質(zhì)量相同的情況下，速度越大，動(dòng)能越大.

再保持?jǐn)[角相同的情況下，確保擺至最低點(diǎn)時(shí)速度相同，用不同的擺球（鋼球和塑料球）分別去撞擊物塊，觀察物塊被撞后的擺動(dòng)幅度.結(jié)論：鋼球（即質(zhì)量大的球）撞擊后物塊擺動(dòng)幅度明顯大于塑料球撞擊后物塊的擺動(dòng)幅度.進(jìn)一步說明了鋼球擺至最低時(shí)的動(dòng)能大，即在速度相同的情況下，質(zhì)量越大，動(dòng)能越大.

結(jié)論：運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)能大小與物體的質(zhì)量和速度有關(guān)，質(zhì)量相同時(shí)，物體運(yùn)動(dòng)速度越大，動(dòng)能越大；速度相同時(shí)，物體質(zhì)量越大，動(dòng)能越大.

優(yōu)點(diǎn)：（1）靈活性高.所有器材安裝在同一基座上，整體性好，攜帶方便；（2）操作方便.每位學(xué)生均能操作，無須過多指導(dǎo)；（3）成功率高.在調(diào)整好基座的前提下正確操作，成功率接近100%；（4）可視性強(qiáng).現(xiàn)象明顯，通過可定位指針的擺角大小可直觀地比較出動(dòng)能的大小；（5）實(shí)驗(yàn)用時(shí)短，可反復(fù)進(jìn)行，無耗材等.當(dāng)然不足之處也是存在的，如用于定性討論效果好，若用于定量研究則誤差較大（通過擺角可計(jì)算速度）.

拓展：（1）動(dòng)量守恒演示.只需去掉物塊，改為擺球間的碰撞即可演示動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)，雙線擺保證了擺球的對心碰撞，可定位指針可直觀地反映出擺球的擺動(dòng)幅度（即速度大?。?，對相同小球間的速度交換實(shí)驗(yàn)，效果尤為明顯；（2）探究單擺周期的影響因素實(shí)驗(yàn).可通過控制變量法來進(jìn)行，可比較同擺長時(shí)不同質(zhì)量擺球（鋼球、塑料球等）的擺動(dòng)周期，也可比較同一擺球在擺動(dòng)幅度不同時(shí)的周期關(guān)系，還可在擺球（用鋼球）下方放置磁體來等效改變場力來比較周期的變化等.

3 其他方法介紹

通過實(shí)驗(yàn)探究動(dòng)能影響因素的方法還有很多，下面再列舉一種有較好效果且已被一部分教師采用過的方法.

圖4

如圖4所示，讓小球從光滑的導(dǎo)軌上滾下，獲得一定的速度，再與靜止的木塊相碰，推動(dòng)木塊做功，從木塊移動(dòng)的距離來得出小球動(dòng)能的大小，較果也較好.

第1種情況：讓同一小球從不同的高度滾下，可以看到，高度大時(shí)小球把木塊推得遠(yuǎn)，對木塊做的功多.說明高度越大，滾到底端時(shí)速度越大，在質(zhì)量相同的情況下，速度越大，對外做功的本領(lǐng)越強(qiáng)，說明物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量越多.

第2種情況：讓質(zhì)量不同的小球從同一高度滾下，可以看到，質(zhì)量大的小球把木塊推得遠(yuǎn)，對木塊做的功多.說明相同的高度滾下，具有的末速度是相同的，之所以對外做功的本領(lǐng)不同，是因?yàn)樾∏虻馁|(zhì)量不同，在速度相同的情況下，質(zhì)量越大，對外做功的能力越強(qiáng)，也就是說物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的能量越多.

從而可以得出結(jié)論：物體的動(dòng)能與質(zhì)量及運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，質(zhì)量越大，運(yùn)動(dòng)速度越大，則物體的動(dòng)能越大.

此實(shí)驗(yàn)的不足之處：小球及木塊的運(yùn)動(dòng)方向較難控制，碰撞往往不發(fā)生在端面中心，導(dǎo)致木塊運(yùn)動(dòng)方向偏離.誤差很大.

物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的一個(gè)重要組成部分，它既是物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)，又是物理教學(xué)的重要內(nèi)容，我們應(yīng)充分重視實(shí)驗(yàn)教學(xué).通過實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生初步掌握一些常用的實(shí)驗(yàn)技能、技巧，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)方法，這同時(shí)也是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)和提高物理教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié).物理教師應(yīng)摒棄讓學(xué)生只限于接受公式規(guī)律和機(jī)械運(yùn)算的教學(xué)，而應(yīng)尊重物理學(xué)科的特點(diǎn)，從學(xué)科本身出發(fā)，重視物理學(xué)的學(xué)科體系和教學(xué)的邏輯結(jié)構(gòu)，注重知識傳授同時(shí)重視過程教學(xué)，真正體現(xiàn)物理學(xué)科的科學(xué)價(jià)值.