探究物體沿斜面運(yùn)動(dòng)規(guī)律的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置

楊小蘭 何少榮

摘? ?要：結(jié)合直線運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)中常見的物體沿斜面運(yùn)動(dòng)的問題模型，利用家裝用窗簾導(dǎo)軌和光電計(jì)時(shí)器等器材制作一種創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置，可以創(chuàng)設(shè)并探究物體沿斜面運(yùn)動(dòng)的多種問題情境，輔助課堂教學(xué)。

關(guān)鍵詞：斜面;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置;輔助教學(xué)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2020）11-0045-3

物體沿斜面運(yùn)動(dòng)的問題模型，可以有效地檢測(cè)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)力學(xué)知識(shí)和規(guī)律解決實(shí)際問題的能力[1]。問題解決中要涉及力與運(yùn)動(dòng)、功與能等多種問題。熟悉物體沿斜面運(yùn)動(dòng)模型的特點(diǎn)，了解常見的各種問題設(shè)置，運(yùn)用直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律解答有關(guān)問題，是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。由于有的學(xué)校實(shí)驗(yàn)室缺少相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)儀器，學(xué)生對(duì)此類問題往往缺少直接感知，從而造成學(xué)生的學(xué)習(xí)困難。為了使學(xué)生能直觀地感知和了解這類問題模型，體驗(yàn)有關(guān)運(yùn)動(dòng)情境，經(jīng)歷理論探究和實(shí)驗(yàn)探究的過程，筆者利用木工板材和窗簾導(dǎo)軌、光電門、數(shù)字計(jì)時(shí)器等器材制作了一種創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)裝置“物體沿斜面運(yùn)動(dòng)模擬探究演示儀”。這種實(shí)驗(yàn)裝置取材簡(jiǎn)單、容易制作、操作簡(jiǎn)便，能模擬演示物體沿光滑斜面和粗糙斜面運(yùn)動(dòng)的情境，進(jìn)行多個(gè)運(yùn)動(dòng)問題的創(chuàng)設(shè)和定量探究[2]。

1? ? 實(shí)驗(yàn)器材及裝置制作

1.1? ? 實(shí)驗(yàn)器材

該裝置所需的實(shí)驗(yàn)器材主要有：家裝木工板、窗簾導(dǎo)軌、皮尺（厘米刻度）、小鋼球、小滑塊、90°角度尺、光電門、數(shù)字計(jì)時(shí)器、小球（或滑塊）接收盒。

1.2? ? 裝置實(shí)物

裝置實(shí)物圖如圖1所示。

1.3? ? 裝置制作

（1）底座的制作：取家庭裝修用的木工板材，截取一塊長(zhǎng)約80 cm、寬20 cm的木板作為底座。在木板的外側(cè)粘一條裁縫用的（厘米刻度）皮尺，皮尺的零刻度對(duì)準(zhǔn)木板的一端。

（2）斜面的制作：取安裝窗簾用的塑料導(dǎo)軌，截取一段長(zhǎng)約100 cm的導(dǎo)軌作為斜面。導(dǎo)軌中間有滑槽，小鋼球在槽上滾動(dòng)時(shí)，導(dǎo)軌可近似看作光滑斜面;滑塊在槽上滑動(dòng)時(shí)，導(dǎo)軌為粗糙斜面。在導(dǎo)軌的外側(cè)也粘一條皮尺，皮尺的零刻度對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)軌的下端。

（3）底座與斜面的連接：導(dǎo)軌下端與木板的頂端用轉(zhuǎn)軸或“合頁(yè)”（柜門用）連接，在木板頂端固定一個(gè)90°角度尺，角度尺的中央0點(diǎn)與“合頁(yè)”軸對(duì)準(zhǔn)，在導(dǎo)軌上固定一個(gè)轉(zhuǎn)軸，并能使轉(zhuǎn)軸沿角度尺上圓弧形開槽滑動(dòng)且能固定。這項(xiàng)制作步驟很重要，要保證導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)后斜面傾角可用角度尺讀出。

（4）光電門安裝與數(shù)字計(jì)時(shí)器的連接：在導(dǎo)軌的最下端固定一個(gè)光電門，在導(dǎo)軌的中間安裝兩個(gè)可移動(dòng)的光電門。具體實(shí)驗(yàn)時(shí)，取其中兩個(gè)光電門與數(shù)字計(jì)時(shí)器連接。

（5）運(yùn)動(dòng)物體的選擇：選取大小合適、表面光滑的小鋼球，能通過光電門，擋光尺寸為小鋼球的直徑。小鋼球在槽上滾動(dòng)時(shí)可近似看作沿光滑斜面運(yùn)動(dòng)。選取大小合適、表面平整的金屬滑塊，能通過光電門，擋光尺寸為小滑塊的長(zhǎng)度。小滑塊在槽上滑動(dòng)時(shí)視為沿粗糙斜面運(yùn)動(dòng)。

2? ? 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示：①水平木板底座;②厘米刻度皮尺;③斜面（窗簾導(dǎo)軌）;④小鋼球和小滑塊;⑤90°角度尺（有固定軌道的活動(dòng)軸）;⑥光電門;⑦數(shù)字計(jì)時(shí)器;⑧斜面軌道底端固定轉(zhuǎn)軸（或合頁(yè)）。

高中力學(xué)中，常見的物體沿斜面運(yùn)動(dòng)的問題模型有兩類：

類型1：研究物體沿光滑斜面運(yùn)動(dòng)的問題

1.小球運(yùn)動(dòng)的加速度

（1）如圖3所示，小球從斜面上的A處由靜止釋放、加速運(yùn)動(dòng)到底端O處，把小球的運(yùn)動(dòng)視為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律可知，xA=■at2，若測(cè)出xA和t，就能計(jì)算得出a的值。

（2）根據(jù)牛頓第二定律可知，小球沿光滑斜面做勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度大小為a=gsinθ，若測(cè)出θ的值，就能計(jì)算得出a的值。

2.小球沿等底不等高光滑斜面運(yùn)動(dòng)的時(shí)間

小球從斜面上的A處由靜止釋放、加速運(yùn)動(dòng)到底端O處，由運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律和牛頓第二定律可知，小球運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t=2■，若L一定，則t隨θ的變化而變化，且θ=45°時(shí)t最小。若測(cè)出θ和t的值，就能進(jìn)行比較和檢驗(yàn)。

3.小球在斜面上運(yùn)動(dòng)的速度與功能關(guān)系

如圖4所示，在斜面上A、B兩個(gè)位置裝有光電門，讓小球從斜面頂端由靜止釋放，小球做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

（1）小球通過光電門的運(yùn)動(dòng)速度

用游標(biāo)卡尺測(cè)出小球的擋光長(zhǎng)度d，用數(shù)字計(jì)時(shí)器讀出小球通過光電門的擋光時(shí)間tA、tB，根據(jù)v=■，可以計(jì)算出小球通過A、B處的速度vA、vB大小。

（2）小球的功能關(guān)系

小球在光滑斜面上運(yùn)動(dòng)，根據(jù)動(dòng)能定理有：

讀出xAB和θ的數(shù)值，結(jié)合vA、vB的計(jì)算值，可驗(yàn)證重力對(duì)小球做的功和小球動(dòng)能變化的關(guān)系。

類型2：探究物體沿粗糙斜面運(yùn)動(dòng)的問題

1.滑塊運(yùn)動(dòng)的加速度

如圖5所示，讓滑塊從固定斜面上的A處由靜止釋放，加速運(yùn)動(dòng)到底端O處，由運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律可知，x■=■at2，若測(cè)出xA和t，就能計(jì)算出a的值。

2.滑塊與斜面軌道之間的動(dòng)摩擦因數(shù)

根據(jù)牛頓第二定律可知，滑塊沿粗糙斜面做勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度大小為a=gsinθ-μgcosθ，利用上述1中測(cè)出的θ和對(duì)應(yīng)的a，就可以計(jì)算出滑塊和斜面軌道之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ的值。

3? ? 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作步驟

用以上裝置可以做：1.小球沿斜面做加速運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究;2.小球沿等底不等高光滑斜面運(yùn)動(dòng)時(shí)間的研究;3.小球在斜面上運(yùn)動(dòng)的速度與動(dòng)能關(guān)系的研究。實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從略。

3.1? ? 探究滑塊運(yùn)動(dòng)的加速度

（1）實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示。

（2）選擇一定的斜面傾角θ，固定軌道，讀出θ的值并記錄。在斜面上選擇合適的位置A，并固定光電門A，在斜面底端O處固定光電門O，讀出并記錄xA的值。

（3）將光電門A和光電門O與數(shù)字計(jì)時(shí)器連接，接通電源，選擇合適的計(jì)時(shí)器工作狀態(tài)。從光電門A處由靜止釋放小滑塊，讀出小滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)間t并記錄。小滑塊與軌道之間存在摩擦力，不能忽略不計(jì)。

（4）根據(jù)xA= at2，計(jì)算a的值，并記錄。

（5）改變斜面傾角θ，重復(fù)上述步驟（2）（3）（4），得出多組不同傾角θ對(duì)應(yīng)的a值（見表1）。

3.2? ? 探究滑塊與斜面軌道之間的動(dòng)摩擦因數(shù)

（1）根據(jù)a=gsinθ-μgcosθ，利用上述步驟（5）測(cè)出的多組θ和對(duì)應(yīng)的a值計(jì)算出滑塊和斜面軌道之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ的值（見表2）。

（2）根據(jù)步驟（1）的數(shù)據(jù)進(jìn)行有關(guān)討論和誤差分析。

除以上敘述的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容外，由于調(diào)整光電數(shù)字計(jì)時(shí)器的不同工作狀態(tài)，還可以同時(shí)測(cè)出物體通過每個(gè)光電門的瞬時(shí)時(shí)間以及通過兩個(gè)光電門的時(shí)間間隔，用測(cè)得的這三個(gè)時(shí)間量結(jié)合斜面傾角、斜面長(zhǎng)度等還可以設(shè)計(jì)其他的問題開展探究活動(dòng)。教師在具體教學(xué)時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生利用本套實(shí)驗(yàn)裝置來自行提出問題，開展理論探究和實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生物理思維、實(shí)驗(yàn)探究等學(xué)科素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)[3]。

4? ? 教學(xué)的效果

該套自制教具“物體沿斜面運(yùn)動(dòng)模擬探究演示儀”，取材簡(jiǎn)便、制作簡(jiǎn)單，最大的特點(diǎn)是增加了定量研究的手段，可以直接測(cè)出斜面傾角、物體運(yùn)動(dòng)距離、物體運(yùn)動(dòng)時(shí)間等多個(gè)物理量，結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)可以計(jì)算出物體運(yùn)動(dòng)的速度、加速度，以及物體和斜面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)，進(jìn)一步補(bǔ)充和完善了實(shí)驗(yàn)室研究物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)器材。

在實(shí)際教學(xué)實(shí)踐中，該套自制教具既能較好地創(chuàng)設(shè)物體沿斜面運(yùn)動(dòng)的兩類典型的問題情境，引導(dǎo)學(xué)生開展理論探究，又能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生探究的熱情，進(jìn)行定量的探究，為學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)創(chuàng)造條件，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使其物理學(xué)科核心素養(yǎng)得以培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)較多，處理數(shù)據(jù)可以借助Excel軟件，以減少數(shù)據(jù)運(yùn)算量。

該套實(shí)驗(yàn)裝置的不足之處是小鋼球與軌道之間存在一定的摩擦，斜面傾角的測(cè)量精度不夠，滑塊在運(yùn)動(dòng)中與軌道各處的摩擦不同，因此實(shí)驗(yàn)可能存在較大誤差。

參考文獻(xiàn)：

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[2]趙凌波. 基于“學(xué)科核心素養(yǎng)”的高中物理教學(xué)思考[J]. 新課程，2018（12）：144.

[3]陸永華. 基于物理學(xué)科素養(yǎng)的高中物理電磁感應(yīng)教學(xué)研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2016.

（欄目編輯? ? 王柏廬）