自制功率與牽引力和速度的關(guān)系演示儀

黎明

(余姚市夢(mèng)麟中學(xué) 浙江 寧波 315400)

1 設(shè)計(jì)背景

2 實(shí)驗(yàn)裝置和原理

功率與牽引力、速度的關(guān)系演示儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，儀器主體框架是利用實(shí)驗(yàn)室的長(zhǎng)木板和木質(zhì)米尺制作而成的，側(cè)面貼有長(zhǎng)條的金屬板，左端是一輛自制的小車，小車上配有放電針，放電針與金屬板和電火花計(jì)時(shí)器的正負(fù)極相連，放電針與金屬板之間產(chǎn)生火花放電可以在熱敏紙上打出點(diǎn)跡，記錄小車的運(yùn)動(dòng)過程，右端是一臺(tái)小電動(dòng)機(jī)用來牽引小車前進(jìn)，使小車先加速達(dá)到最大速度后勻速運(yùn)動(dòng)，研究小車達(dá)到最大速度時(shí)的速度v,牽引力F和電動(dòng)機(jī)輸出功率P之間的定性關(guān)系.利用此裝置可以演示以下3個(gè)實(shí)驗(yàn).

圖1 功率與牽引力、速度的關(guān)系演示儀結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)一：保持電動(dòng)機(jī)輸出功率P基本不變，研究牽引力F和小車速度v之間的關(guān)系.

在電動(dòng)機(jī)輸出功率P基本不變的前提下，依次調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)器的高度，使軌道的傾角依次增大，從而增大每次小車運(yùn)動(dòng)過程中達(dá)到最大速度時(shí)的牽引力F，比較小車速度變化情況.

實(shí)驗(yàn)二：保持牽引力F不變，研究電動(dòng)機(jī)輸出功率P和小車速度v之間的關(guān)系.

保持斜面傾角不變，使小車以最大速度勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)牽引力F保持不變，通過調(diào)高電壓依次增大電動(dòng)機(jī)的輸出功率，比較小車速度變化情況.

實(shí)驗(yàn)三：模擬汽車低擋上坡.

通過切換如圖2所示的大皮帶輪和小皮帶輪，使學(xué)生直觀感受低速擋和高速擋的區(qū)別.

圖2 大皮帶輪和小皮帶輪

3 教具制作過程中的幾點(diǎn)說明

(1)這個(gè)實(shí)驗(yàn)首先要保證小車所受阻力在一次運(yùn)動(dòng)過程中保持不變，而我們?nèi)粘Ｓ玫能壍佬≤?，如火車?cè)邊輪軌道、凹形槽軌道，實(shí)驗(yàn)都不成功.因?yàn)檩喿拥膫?cè)面容易與軌道的側(cè)面相互摩擦，而且這個(gè)力帶有偶然性，不可控，無法保證小車最后做勻速直線運(yùn)動(dòng).為此在筆者多次研究之后，發(fā)現(xiàn)“4個(gè)側(cè)面小滑輪”(圖3)定位的方法相對(duì)較好，并且在小車的4個(gè)輪子處加裝了滾珠軸承(圖4)，使小車在運(yùn)動(dòng)過程中的阻力更加穩(wěn)定.

圖3 4個(gè)側(cè)面小滑輪

圖4 加裝滾珠軸承

(2)將放電針和金屬板與電火花計(jì)時(shí)器的正負(fù)高壓脈沖相連，通過放電針和金屬板間的火花放電實(shí)現(xiàn)在熱敏紙帶上打點(diǎn)，設(shè)計(jì)的放電針如圖5所示.這是一個(gè)3個(gè)方向可調(diào)的放電針，能迅速地調(diào)節(jié)放電針的位置，實(shí)現(xiàn)一條熱敏紙上能打出多條軌跡，便于比較小車運(yùn)動(dòng)的快慢.

圖5 放電針的設(shè)計(jì)

(3)本教具通過兩路光控繼電器模塊，對(duì)電動(dòng)機(jī)和電火花計(jì)時(shí)器的工作進(jìn)行了自動(dòng)控制，自動(dòng)控制的開關(guān)是如圖6所示的兩個(gè)光敏電阻，打開遮光板光敏電阻接受光照，電動(dòng)機(jī)和電火花計(jì)時(shí)器開始工作，當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)到軌道末端時(shí)不透光的車身剛好遮住兩個(gè)光敏電阻，使電動(dòng)機(jī)和電火花計(jì)時(shí)器停止工作，也防止了電動(dòng)機(jī)因堵轉(zhuǎn)而燒壞.

圖6 光敏電阻自動(dòng)控制開關(guān)

(4)本實(shí)驗(yàn)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是如何保持電動(dòng)機(jī)輸出功率不變.根據(jù)電動(dòng)機(jī)的輸出功率計(jì)算公式

P=UI-I2R

(R=9.0 Ω,U=2.87 V)作出輸出功率P與電流I之間的關(guān)系圖像如圖7所示.

在圖像頂點(diǎn)附近輸出功率變化十分微小.同時(shí)本實(shí)驗(yàn)利用電壓和電流傳感器采集電壓、電流數(shù)據(jù)，然后通過公式計(jì)算電動(dòng)機(jī)的輸出功率，如圖8所示.通過大量的實(shí)驗(yàn)證明，本教具的高度調(diào)節(jié)器在一定的高度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可以將電動(dòng)機(jī)的輸出功率控制在0.220～0.228 W之間，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)輸出功率基本不變.

圖7 P-I圖

圖8 電壓和電流傳感器

(5)本實(shí)驗(yàn)雖然用的是電火花計(jì)時(shí)器的高壓脈沖輸出，但是絕大部分高壓區(qū)域均有絕緣體包裹，并且絕大部分的操作是在斷開高電壓的情況下，唯一的高電壓接通時(shí)的操作就是轉(zhuǎn)動(dòng)遮光板，此操作遠(yuǎn)離高電壓區(qū)域，因此本儀器是絕對(duì)安全的.

4 實(shí)際教學(xué)探究過程

實(shí)驗(yàn)一：保持電動(dòng)機(jī)輸出功率P基本不變，研究牽引力F和小車速度v之間的關(guān)系.

第一步，打開電源，將恒壓電源調(diào)節(jié)到2.87 V，將高度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到一定高度.

第二步，轉(zhuǎn)動(dòng)遮光板使電火花計(jì)時(shí)器和電動(dòng)機(jī)開始工作，牽引小車先向前加速，達(dá)到最大速度后勻速運(yùn)動(dòng).

第三步，小車以最大速度運(yùn)動(dòng)一段距離之后，會(huì)運(yùn)動(dòng)到光敏電阻R1和R2所在位置，此時(shí)不透光的車身會(huì)將兩個(gè)光敏電阻先后擋住，這樣電火花計(jì)時(shí)器和電動(dòng)機(jī)就會(huì)先后停止工作，小車完全停止后，轉(zhuǎn)動(dòng)遮光板，擋住光源，并將小車?yán)仄瘘c(diǎn).

第四步，每次將高度調(diào)節(jié)器調(diào)高一定的高度，并將放電針尖端位置向下調(diào)節(jié)一段距離，繼續(xù)實(shí)驗(yàn).

5次實(shí)驗(yàn)之后獲得紙帶如圖9所示.

圖9 5次實(shí)驗(yàn)后獲得的紙帶

通過圖9所示的紙帶可以得到結(jié)論：在誤差允許范圍內(nèi)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出功率P保持不變時(shí)，小車勻速時(shí)的速度v隨著小車牽引力F的增大而減小.

實(shí)驗(yàn)二：保持牽引力F不變，研究電動(dòng)機(jī)輸出功率P和小車速度v之間的關(guān)系.

第一步，打開總電源和恒壓電源，將恒壓電源調(diào)節(jié)到2.44 V，將高度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到一定高度不變.

第二步，轉(zhuǎn)動(dòng)遮光板使電火花計(jì)時(shí)器和電動(dòng)機(jī)開始工作，牽引小車先向前加速，達(dá)到最大速度后勻速運(yùn)動(dòng).

第三步，小車以最大速度運(yùn)動(dòng)一段距離之后，會(huì)運(yùn)動(dòng)到光敏電阻R1和R2所在位置，此時(shí)不透光的車身會(huì)將兩個(gè)光敏電阻先后擋住，這樣電火花計(jì)時(shí)器和電動(dòng)機(jī)就會(huì)先后停止工作，小車完全停止后，轉(zhuǎn)動(dòng)遮光板，擋住光源，并將小車?yán)仄瘘c(diǎn).

第四步，每次將恒壓電源的電壓調(diào)高一定值，并將放電針尖端位置向下調(diào)節(jié)一段距離，繼續(xù)實(shí)驗(yàn).

4次實(shí)驗(yàn)之后獲得紙帶如圖10所示.

圖10 4次實(shí)驗(yàn)后獲得的紙帶

通過圖10所示的紙帶可以得到結(jié)論：在誤差允許范圍內(nèi)，當(dāng)牽引力F保持不變時(shí)，小車勻速時(shí)的速度v隨著電動(dòng)機(jī)輸出功率的增大而增大.

實(shí)驗(yàn)三：模擬汽車低擋上坡.

將高度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到一定高度，使得大皮帶輪無法拉動(dòng)小車前進(jìn).保證其他條件不變將牽引線切換到小皮帶輪，小皮帶輪可以拉動(dòng)小車前進(jìn).

5 實(shí)際課堂教學(xué)效果

通過實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)，改變了原本灌輸式的理論探究教學(xué)和沉悶的課堂氣氛，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，教具中用到的器材和實(shí)驗(yàn)原理是高中學(xué)生比較熟悉的，學(xué)生容易接受，有助于教學(xué)的順利進(jìn)行.

學(xué)生經(jīng)過具體的實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)功率P，牽引力F和速度v的關(guān)系有了一定的了解.通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)學(xué)生建立了功率與牽引力、速度關(guān)系的物理模型，也培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力，學(xué)生具備相應(yīng)的能力之后再回到理論探究，就相對(duì)容易接受，并且理論推導(dǎo)的結(jié)論也與實(shí)驗(yàn)結(jié)論相印證，增加了實(shí)驗(yàn)的說服力.從課后反饋的角度來看，學(xué)生對(duì)于這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的掌握相較于往屆學(xué)生要好許多.

實(shí)驗(yàn)三模擬了汽車上坡起步的實(shí)際問題，學(xué)生見過實(shí)際模型之后對(duì)這類問題的理解更加深刻了，解決實(shí)際問題也更加得心應(yīng)手.

6 結(jié)束語

本實(shí)驗(yàn)儀器是以實(shí)驗(yàn)室中一些常用的儀器為基礎(chǔ)制作而成的，同時(shí)為了操作上的簡(jiǎn)潔和方便，應(yīng)用了兩路光控繼電器模塊，增加了自動(dòng)化的控制功能，大大縮短了實(shí)驗(yàn)操作的時(shí)間，在實(shí)際的教學(xué)探究中取得了非常好的效果，將原本沉悶的理論探究課堂，變成了學(xué)生非常感興趣的實(shí)驗(yàn)探究，加深了學(xué)生對(duì)“功率與速度”這一關(guān)系的印象.可見作為物理教師應(yīng)該多從實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)行思考，多設(shè)計(jì)一些能提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生建立物理模型以及培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的實(shí)驗(yàn)，只有這樣才能展現(xiàn)物理的美，才能吸引更多的學(xué)生，才能把培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)真正落到實(shí)處.

最后，本教具在2018年浙江省中小學(xué)優(yōu)秀自制教具終評(píng)活動(dòng)中榮獲浙江省二等獎(jiǎng).