利用自制教具探究重力的方向

山東省鄒城市古路口中學 張培平

“重力的方向”是人教版物理教材八年級下冊第七章第3 節(jié)的內容。對于該內容，教材和教師教學用書都沒有設計實驗探究，只是簡單地介紹了重力的方向是豎直向下的。然而在教學實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)，許多學生認為重力的方向既可以理解為豎直向下，也可以理解為垂直向下。即使筆者對此進行糾正，學生還是常常將重力方向畫成垂直向下，這說明依靠記憶無法真正地理解和運用知識。因此，在教學時應讓學生去探究重力的方向，通過親身實驗改變自己的錯誤認識。但由于實驗室沒有探究重力方向的裝置，師生只能自制實驗教具來探究重力的方向。

一、實驗背景

人教版八年級下冊物理教師教學用書建議采用如圖1 所示裝置探究重力的方向。實驗過程如下：讓學生觀察鉛垂線的方向與水平桌面和斜面的關系，以此來區(qū)分豎直向下和垂直于接觸面這兩個概念是不同的。此時教師可以從數(shù)學角度強調豎直也是一種垂直，是特殊的垂直情況，是與水平面垂直。

圖1

圖2

蘇教版物理教材八年級下冊第八章第二節(jié)《重力 力的示意圖》中采用如圖2 所示裝置判斷重力的方向，具體活動設計如下：[猜一猜]物體所受重力的方向是怎樣的？[試一試]用如圖2 所示的器材進行實驗。緩慢改變木板的傾角，觀察懸線的方向。剪斷懸線，觀察小球下落的方向。[議一議]你還能設計出判斷重力方向的其他實驗方案嗎？

不管是人教版教師教學用書還是蘇教版教材，在探究重力方向時都是采用定性研究，無論用圖1 還是圖2 裝置都很難測量鉛垂線與水平面和斜面的夾角，而且不能進行多次實驗。為了定量研究重力方向與水平面和斜面的關系，而且通過多次實驗得出結論，筆者利用日常生活用品制成探究重力方向的實驗裝置。

二、制作材料

廢棄的塑料光具座、兩張光盤、連接光盤用的合頁、螺絲釘、兩個塑料滑塊、帶細線的金屬圓錐體、自動雨傘的兩節(jié)金屬桿和螺絲刀、熱熔膠槍等。

三、制作過程

（1）將合頁打開至兩面水平（最大角度180°），將兩張光盤A 和B 用熱熔膠粘貼在合頁兩面上，則兩張光盤相互平行。

（2）在光盤A 上鉆兩個合適的小孔，用螺絲釘將光盤A 固定在塑料滑塊C 上，光盤A 與塑料滑塊C 平行。

（3）將廢棄的塑料光具座拆開，用其中的一個底座和一節(jié)雨傘上的金屬桿組成探究重力方向實驗裝置的支架。

（4）將帶光盤的塑料滑塊C 安裝在支架上，由于塑料滑塊與金屬桿垂直，此時光盤與支架底座平行。

（5）在支架的金屬桿上端再安裝一個塑料滑塊D，把另一節(jié)金屬桿安裝在塑料滑塊D 的小孔中，擰緊螺絲釘，固定好金屬桿。在金屬桿上拴好帶細線的金屬圓錐體，讓圓錐體穿過光盤B 的小孔。調整好圓錐體與光盤B 中心的位置，使細線不接觸光盤B。探究重力方向的實驗裝置制作完成了，如圖3 所示。

圖3

圖4

注：自制教具要從教材和教學實際需要出發(fā)，考慮學科的深度和廣度，盡量做到能根據需求拆卸、組裝，且方便攜帶和保管。

四、實驗過程

（1）探究重力方向與水平面的關系。將支架放在水平工作臺上，轉動合頁使光盤B 至水平方向（如圖3）。待圓錐體靜止時用手機拍照，打開手機量角器APP，測得細線與光盤B 間的夾角為90°，說明重力方向與水平面垂直。

（2）探究重力方向與斜面的關系。轉動合頁，使光盤B 變成傾斜面（如圖4）。待圓錐體靜止時用手機拍照，并用手機量角器APP 測得細線與光盤B 間的夾角小于90°，說明重力方向與斜面不垂直。

（3）將圓錐體從光盤B 的小孔中取出，轉動合頁，使光盤B 與光盤A 垂直，調整鉛垂線位置，使其靠近光盤B，觀察發(fā)現(xiàn)鉛垂線與光盤B 平行。

（4）多次實驗表明，重力方向只與水平面垂直，不與斜面垂直。實驗證明重力方向是豎直向下而非垂直向下。

五、實驗評價

（1）實驗裝置制作材料易得，制作過程簡單，便于開展分組實驗。廢棄光盤、雨傘金屬桿、合頁和細線，生活中可以很容易找到。實驗室每年配置新式光具座，將老式光具座變廢為寶，每個光具座可以制作兩個支架。只需螺絲刀和熱熔膠槍等簡單工具，就能輕松組裝探究重力方向的實驗裝置。足夠的裝置方便在課堂上進行分組實驗，學生通過做、學、思，總結歸納出重力的方向，這樣不僅提高了學生的觀察能力和思維能力，還提高了課堂的教學效率。

（2）實驗操作簡單，效果明顯。小組進行實驗時，只需轉動合頁，就能輕松調節(jié)光盤B 與水平面的角度。實驗現(xiàn)象直觀明顯，通過觀察和測量，很容易得出實驗結論。實驗完成后，通過拆卸，可以方便地保管實驗器材。

（3）將定性研究變?yōu)槎垦芯?，使實驗結論更可靠。測量細線與光盤的夾角時，可以使用量角器測量，也可以使用手機量角器APP 測量，將信息技術與物理學科教學融合起來，從而更好地服務于學科教學。

六、結束語

物理教學要通過自制教具扎實開展實驗教學，從而提高學生的動手能力、觀察能力、分析和解決問題能力，提升學生的思維品質，培育其學習興趣、創(chuàng)新精神和意志品質，提高學生的科學素養(yǎng)。