自制物理教具 豐富學(xué)生活動經(jīng)歷

孔興隆

1自制物理教具，落實學(xué)生對“力的作用是相互的”活動經(jīng)歷

1.1演示一對電磁力的作用是相互的實驗

如圖1所示，將2個磁性極強的釹鐵硼磁鐵分別固定在2輛相同的小車上，讓磁鐵同性相對，把兩小車放置在水平桌面并擺放在一條直線上。用雙手分別拿著2輛小車并用力使兩車靠近，然后同時松開雙手，可觀察到由于電磁斥力作用兩車同時向相反的方向運動。調(diào)換其中任意1個磁鐵的磁極，讓兩磁鐵異性相對，由于電磁引力的作用兩車相互靠就。不難得出，一對電磁力間的作用是相互的。

1.2演示一對摩擦力的作用是相互的實驗

如圖2所示，在平滑的水平桌面上放5～6根相同的空心玻璃管（長約30cm，直徑約2cm），使玻璃管并排攤開，每相鄰兩管間距大致相等（以5cm為宜），管的上方放置1張大小合適的輕質(zhì)泡沫板（長約40cm，寬約20cm）。準(zhǔn)備1輛四輪驅(qū)動的玩具小車（內(nèi)置2節(jié)干電池），合上玩具小車的開關(guān)，使小車四輪同時轉(zhuǎn)動，輕輕放在已鋪好的泡沫板上。觀察到玩具小車向前運動，而泡沫板向后飛出。根據(jù)這一現(xiàn)象，教師可先讓學(xué)生討論原因，再引導(dǎo)學(xué)生分析產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是由于摩擦力的相互作用。由此得出，物體間摩擦力的作用是相互的。

1.3讓學(xué)生感受或體驗力的作用是相互的幾個簡單實驗

教師在課堂教學(xué)中讓學(xué)生親身感受或體驗一些簡單的實驗，可收到良好的教學(xué)效果。如讓學(xué)生用手掌輕壓在桌面上并做前推的動作，然后再用較大的力壓在桌面上并使勁地前推，談?wù)劯惺苡泻尾煌?。再如課前準(zhǔn)備2輛滑板車并排放在地面上，邀請2位學(xué)生（甲、乙）站在滑板車上當(dāng)眾表演。當(dāng)甲拉乙時，兩車同時向相反的方向運動；當(dāng)甲推乙時，兩車也同時向相反的方向運動，讓學(xué)生解釋理由。這些小實驗雖看似簡單，當(dāng)學(xué)生有過親身感受和體驗之后，不但有利于學(xué)生充分理解和掌握所學(xué)知識，還可以調(diào)節(jié)課堂氣氛。

2自制物理教具，落實學(xué)生“定量探究作用力與反作用力大小關(guān)系的活動經(jīng)歷

2.1演示一對相互作用的電磁力的大小和方向關(guān)系

儀器實物照片如圖3所示。豎直放置的木支架上，上下固定著在同一直線上的2只圓盤測力計，測力計的相對端，安裝著2個磁性極強的釹鐵硼磁鐵（同磁極相對，形成斥力）。安裝好裝置后，盡管上下2只秤都受到重力和斥力作用，為了突出實驗效果，可先將2只測力計進(jìn)行調(diào)零，再用手分別壓兩只彈簧秤，可看到秤的指針都發(fā)生偏轉(zhuǎn)，讓學(xué)生明白此時測力計的讀數(shù)便是手對它的壓力。

實驗時，松開上面一只測力計后側(cè)的固定螺絲，將兩秤距離逐漸靠近，上下兩秤受到的壓力逐漸增大，指針可顯示壓力大小。觀察發(fā)現(xiàn)，實驗中兩秤的讀數(shù)總是相等的。

調(diào)整其中1個磁鐵磁體的極性，把斥力變?yōu)橐?，也能以同樣的方式演示兩引力總是相等的現(xiàn)象。還可以把本裝置中兩秤的豎直放置狀態(tài)，改成水平放置狀態(tài)，以同樣的方式進(jìn)行實驗。

本實驗最突出的優(yōu)點是相互作用力為非接觸力，而且力的大小可隨意變化、隨時讀取，學(xué)生更容易理解兩力是同時存在的，也更容易觀察到力的大小的變化關(guān)系，能很好地探索或驗證牛頓第三定律中作用力和反作用力總是相等的結(jié)論。

2.2演示一對相互作用的摩擦力的大小和方向關(guān)系

儀器結(jié)構(gòu)如圖4所示。把1輛上表面粗糙的平板小車放置于水平玻璃板上，平板小車的一端通過一個定滑輪，與左側(cè)測力計連接。在平板小車的上面，放一輛可遙控的玩具坦克，坦克的一端通過另一個定滑輪，與右側(cè)測力計連接。

忽略地面對平板小車的摩擦力，在其處于平衡狀態(tài)時，則左側(cè)彈簧秤的讀數(shù)等于坦克對平板小車的摩擦力，右側(cè)彈簧秤的讀數(shù)等于平板小車對坦克的摩擦力。當(dāng)兩者相對靜止時（坦克開動后停下），其摩擦力為靜摩擦力，當(dāng)坦克開動到一定距離，其輪子在小車上面打滑時，其摩擦力為滑動摩擦力。

實驗時，先合上玩具坦克底部的電源開關(guān)，再利用遙控器的進(jìn)、退按鍵便可控制玩具坦克的運動。當(dāng)坦克開動時，平板小車同時向相反的方向后退，表明這一對作用力與反作用力的方向相反。由于玻璃板對平板小車的摩擦力很小，可近似認(rèn)為平板小車置于非常光滑的水平面上，車輪與軸承的阻力很小，兩定滑輪的阻力很小。實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坦克向前開一點，平板小車則向后退一點，不論坦克在運動過程中或停下來時兩彈簧秤的讀數(shù)總是基本相等（本實驗的絕對誤差不超過0.1N，相對誤差不超過3.5%），從而表明這一對靜摩擦力總是大小相等方向相反的。

當(dāng)坦克一直開著，兩者沿相反方向后退到一定程度時，坦克不再前進(jìn)，輪子在平板小車上打滑。此時兩秤的讀數(shù)顯示的是它們之間的滑動摩擦力。還可以在玩具坦克上增加砝碼，以改變摩擦力的大小，再進(jìn)行實驗。

3自制物理教具，落實學(xué)生對“相互作用力關(guān)系”的活動經(jīng)歷

牛頓第三定律所闡明的作用力和反作用力的關(guān)系不僅與力的性質(zhì)無關(guān)，也與物體的運動狀態(tài)和參考系的選擇無關(guān)。但傳統(tǒng)的實驗手段一般只能演示靜止時作用力和反作用力間的大小、方向關(guān)系，卻很難研究物體在運動狀態(tài)下特別是物體做曲線運動時相互作用力的大小、方向關(guān)系。采用力傳感器演示運動物體間一對相互作用力大小、方向關(guān)系可解決上述的難題。力傳感器實驗系統(tǒng)具有強大的動態(tài)作圖功能，它能以圖像的表達(dá)方式呈現(xiàn)相關(guān)物理量的動態(tài)變化，增進(jìn)學(xué)生對物理規(guī)律的理解。

為了更好地發(fā)揮傳感器的獨特優(yōu)勢，提高教學(xué)的有效性，教師可按照以下步驟進(jìn)行演示：先用手對其中一只傳感器以不同大小的力做拉、推動作，計算機屏幕上顯示出一條連續(xù)的、瞬時變化的曲線（見圖5曲線a）。再用同樣的方法對另一只施加力，可顯示另一條曲線（見圖5曲線b），讓學(xué)生初步觀察力實驗現(xiàn)象并引導(dǎo)學(xué)生分析這2條曲線的意義。然后讓兩傳感器的鉤子對拉，分別研究不同運動狀態(tài)下（靜止、勻速直線運動、加速運動、減速運動、圓周運動、波形軌跡、一般曲線運動等各種運動狀態(tài)）兩傳感器的受力大小方向隨時間變化的關(guān)系，可得到類似于圖5所示的2條曲線。實驗表明，無論物體處于何種運動狀態(tài)，這一對力在任何時刻總是大小相等、方向相反的。通過實驗，學(xué)生能夠從數(shù)值上直觀感受此結(jié)論。

學(xué)生體驗了足夠的活動經(jīng)歷，有利于“見物思理”，獲取核心知識和基本技能，提升思維品質(zhì)和創(chuàng)新能力。教師盡可能地自制物理教具，通過多側(cè)面、多層次的實驗幫助學(xué)生去糾正錯誤，豐富學(xué)生的活動經(jīng)歷，讓學(xué)生認(rèn)識物理規(guī)律的全貌。