“動能 勢能 機械能”實驗的改進

(江蘇省常州市常州外國語學校,江蘇 常州 213031)

1 探究影響動能大小的因素：斜面實驗

課本設計的實驗利用小車從斜面下滑撞擊木塊，通過木塊滑行距離體現(xiàn)小車動能大小，并進一步探究“動能大小與物體質(zhì)量和運動速度的關系”。設計思路簡單合理，學生操作也方便。但在實際實驗中發(fā)現(xiàn)：小車下滑撞擊木塊的軌跡會發(fā)生變化，穩(wěn)定性不夠，原因如下：(1) 同一輛小車前后兩次下滑，由于受到斜面平整度、摩擦力等因素的影響會使其運動方向發(fā)生改變；(2) 運動方向發(fā)生改變會導致小車撞擊木塊時撞擊部位的變化；(3) 木塊受撞擊部位和水平面粗糙度的不同，導致不能確保其運動方向為直線，從而影響實驗測量與比較。

針對實際操作中出現(xiàn)的問題，筆者改進了實驗，需要的實驗器材有：斜面、包邊卡條、質(zhì)量不同的金屬小球、圓形木棍。

改進的思路是：(1) 為提高撞擊的穩(wěn)定性，利用家裝材料中的包邊卡條在斜面上安裝軌道，連接到水平桌面上(如圖1)。(2) 用金屬小球代替小車從軌道中下滑，用圓形木棍代替木塊放置于水平軌道的一端，小球撞擊木棍，推動木棍在水平軌道中移動，從而進行探究。

通過改進實驗，發(fā)現(xiàn)此設計存在以下優(yōu)點：(1) 借助于包邊卡條做成的軌道，小球和木棍的運動軌跡清晰，路徑確定，避免了摩擦力和接觸面平整度的影響，提高了探究的有效性；(2) 借助于軌道的約束，確保小球撞擊木棍過程中撞擊位置相同，進一步排除其他影響因素，控制潛在變量，提高了探究的可靠性；(3) 選擇合適的金屬小球和圓形木棍，結(jié)合兩種材質(zhì)的特點，使之發(fā)生完全非彈性碰撞，小球能夠推著木棍運動，使學生感受到做功的過程，凸顯能量的概念；(4) 做好的軌道也便于學生進行測量，實驗更加準確可靠。

圖1

2 利用測速儀驗證速度問題

在探究“質(zhì)量對動能大小的影響”過程中，應控制撞擊瞬間速度相同，課本中“信息快遞”說明：質(zhì)量不等的小車從斜坡的同一高度釋放，運動到水平面時，它們的速度大小相等。由于涉及高中物理知識，初中階段無法給出理論推導，但實際演示時又難免出現(xiàn)偏差，給學生造成了一些認知困難，很多時候教師在講解時也是一帶而過，或是硬性灌輸知識，效果往往不佳。

筆者在斜面和水平軌道銜接處安裝數(shù)字化測速儀(如圖2)，測量小球進入水平面時的初速度，通過數(shù)據(jù)強化學生對于該知識點的認知，突破傳統(tǒng)實驗教學的局限，幫助學生攻克該實驗的認知難點，使學生知道：在斜面的同一高度釋放物體，可使不同質(zhì)量的物體獲得相同的水平速度。同時，借助于測速儀，還可以

進一步測量數(shù)據(jù)，驗證同一物體在斜面釋放的高度越高，進入水平面時速度越大等結(jié)論。

圖2

圖3

3 探究影響重力勢能大小的因素：打樁實驗

在課本的探究“重力勢能大小影響因素”的實驗中，利用重物自由下落撞擊樁(小桌子)，觀察樁在沙坑中下陷的程度來反映重力勢能的大小。類似于斜面實驗，在實際操作過程中也存在穩(wěn)定性問題，如重物下落軌跡不穩(wěn)定、撞擊面容易發(fā)生偏差、小桌子下陷時傾斜等。

筆者也對此進行了改進，需要的實驗器材有：長短不同的PVC透明塑料硬管、花泥、質(zhì)量不同但大小相同的圓柱形金屬塊(如圖3)。

利用PVC透明塑料硬管給重物提供下落軌道，把撞擊小桌子改成直接撞擊花泥，通過觀察花泥的下陷程度反映金屬塊的重力勢能大小，操作簡單，現(xiàn)象更加清晰，對比更加明顯。不過此設計也存在一些問題，比如在實驗過程中無法實現(xiàn)連續(xù)改變管子的長短，對比次數(shù)較少；花泥使用后下陷不能恢復，不能反復使用。

4 結(jié)語

物理教學離不開實驗探究，結(jié)合實際教學，如何優(yōu)化實驗設計，使實驗更直觀、更具有可操作性、更易于學生理解，需要我們不斷嘗試。