巧制多功能教具探究物理重難點

劉召新

(余姚市第四中學(xué) 浙江 寧波 315400)

1 制作背景

經(jīng)過多年的高中物理教學(xué)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，有些重難點的知識教學(xué)突破，只用理論探究的方法學(xué)生總感覺太抽象，難以理解，例如，“正負(fù)功的意義”“變加速運動的理解”等.鑒于此，筆者歷經(jīng)多年制作了能實驗探究這些重難點的自制教具，不但輔助了理論教學(xué)，而且填補了相關(guān)實驗教具的空白.在實際教學(xué)時取得了很好的效果，值得推廣應(yīng)用.

2 教具的制作原理和方法

利用輕彈簧、軌道小車組成系統(tǒng).彈簧的彈性勢能與小車的動能相互轉(zhuǎn)化，從而探究機械能的守恒問題.將電火花計時器的兩個電極分別連接在小車與鋁合金軌道上，從而通過打點留跡記錄小車的運動情況，探究變加速運動問題，如圖1所示.

圖1 自制多功能教具實驗裝置

(1)選用光滑的鋁合金軌道，在中間位置固定一個“U型門”，用“門梁”懸掛輕彈簧的上端.

(2)自然下垂的輕彈簧下端連接小車，小車與軌道之間盡量光滑.

(3)電火花計時器固定在裝有電磁鐵的一端，把電火花計時器的高壓電極分別加在小車和軌道上，調(diào)節(jié)兩個電極間的距離，確保小車經(jīng)過的位置都能穩(wěn)定打點留跡.

(4)在軌道上安裝調(diào)節(jié)水平的液泡，小車運行的末端安裝剎車裝置.

3 教具在實際教學(xué)的應(yīng)用

3.1 實驗準(zhǔn)備

(1) 將本實驗裝置放在水平桌面上，將電火花計時器接通電源.

(2)將軌道小車與軌道平滑接觸，調(diào)節(jié)軌道下端的平衡螺母，對小車進(jìn)行補償阻力.

(3)把輕彈簧下端與軌道小車連接.

3.2 功能一 探究力做正負(fù)功的意義

(1)力F對小車做正功的實驗探究

如圖2所示，彈簧拉力F的方向與小車位移L方向夾角θ成銳角，則WF=FLcosθ>0，F(xiàn)做正功.小車的運動情況如圖3 所示，對紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,記錄如表1所示.

圖2 F與L成銳角θ

圖3 F與L成銳角θ時小車的運動

表1 力F對小車做正功時對紙帶的數(shù)據(jù)記錄

結(jié)論：相同時間內(nèi)位移在增大，說明小車做加速運動，進(jìn)而說明力做正功使物體速度增大，是動力.

(2)力F對小車做負(fù)功的實驗探究

如圖4所示，彈簧拉力F的方向與小車位移L方向夾角θ成鈍角，則WF=FLcosθ<0，F(xiàn)做負(fù)功.小車的運動情況如圖5 所示，對紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、記錄如表2所示.

圖4 F與L成鈍角θ

圖5 F與L成鈍角θ時小車的運動

表2 力F對小車做負(fù)功時對紙帶的數(shù)據(jù)記錄

結(jié)論：相同時間內(nèi)位移在減小，說明小車做減速運動，進(jìn)而說明力做負(fù)功使物體速度減小，是阻力.

3.3 功能二 探究變加速運動

對表1的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，如表3所示.同理，再對表2的數(shù)據(jù)加以分析(略).

表3 對表1數(shù)據(jù)分析

結(jié)論：相同時間內(nèi)位移差在減小，據(jù)Δx=aT2可知，a在減小,即小車做加速度減小的加速直線運動.相同時間內(nèi)位移差在增大，據(jù)Δx=aT2可知，a在增大，即小車做加速度增大的加速直線運動.

3.4 功能三 探究機械能轉(zhuǎn)化和守恒

小車和彈簧組成的系統(tǒng)，彈性勢能與動能相互轉(zhuǎn)化.如圖6所示，彈簧伸長時將小車由靜止釋放，運動的小車具有的動能由彈簧減小的彈性勢能轉(zhuǎn)化而來；如圖7所示，運動的小車把彈簧由原長逐漸拉長，彈簧增加的彈性勢能由小車的動能轉(zhuǎn)化而來.該過程重復(fù)往返，直觀反映了彈性勢能與動能的相互轉(zhuǎn)化.通過進(jìn)一步觀察分析小車所能到達(dá)的位置，還可以探究機械能的守恒問題.

圖6 彈性勢能向動能轉(zhuǎn)化

圖7 動能向彈性勢能轉(zhuǎn)化

3.5 功能四 粗測彈簧的勁度系數(shù)κ值

如圖8所示，小車和彈簧組成的系統(tǒng)，小車靜止時，動能Ek=0，系統(tǒng)的勢能Ep最大，彈簧的長度為x1，彈簧的原長x0，則彈簧的形變量

x=x1-x0

彈簧的彈性勢能

圖8 彈簧的長度變化

當(dāng)彈簧原長狀態(tài)時，勢能Ep=0，動能Ek最大.如圖9所示，分析紙帶找出紙帶上速度最大的記數(shù)點“15”，利用瞬時速度的計算方法求出速度v，則小車的動能

彈性勢能Ep完全轉(zhuǎn)化為動能Ek.據(jù)

可以計算出

圖9 小車的最大速度

從能量的角度測量彈簧的勁度系數(shù)κ，是一種全新的方法，能啟發(fā)學(xué)生對能量角度研究問題的深入思考，引導(dǎo)學(xué)生健全能量角度解決問題的思路.

4 該自制教具的優(yōu)點

我們自制的教具有以下優(yōu)點：

(1)利用常規(guī)器材，巧妙制作而成.

(2)巧用“火花放電”打點留跡，清晰記錄運動過程，實驗效果顯著.

(3)“一器多用”，實驗功能多種，巧妙攻克物理教學(xué)重難點問題.

(4)教具簡潔便攜，操作方便，適合實際教學(xué)需要.