自制動能探究儀 提升實驗教學效能

吳春良

（蘇州市吳江盛澤中學，江蘇 蘇州 215228）

在實際教學過程中，我們往往會通過大量的演示實驗來幫助學生理解概念與規律.除了課本上列舉的演示實驗外，我們還應提倡通過自制教具或改進教具來進行演示，這樣不僅改善了實驗教學條件，還進一步提升了教與學的探究空間.在《物理新課程標準》中明確指出：“科學探究既是學生的學習目標，又是重要的教學方式之一.”可見，科學探究過程和方法有多么重要，正確地掌握物理實驗的探究方法，有助于揭示要研究的物理現象、物理規律的本質屬性和內部規律.下面筆者針對高中物理必修2中“動能、動能定理”一節，闡述如何通過自制教具來提升演示實驗效果.

眾所周知，動能是由于物體運動而具有的，運動物體可對外做功，質量和速度越大，動能就越大，物體對外做功的能力也越強.所以說動能表征了運動物體做功的一種能力.另外，功是能量轉化的量度，我們可以通過做功來實現能量的轉化.動能及動能定理是高中物理的一個重點內容，是用能量觀點解決問題的重要方法，是高考中必考的內容之一，并且所占的比重非常大，所以在教學過程中我們應有意識地去通過實驗來加深學生對概念、規律的理解，充分調動學生的多種感官來探求并接受新的知識.

1 原有實驗重現

課本上動能探究實驗方法如下：如圖1所示，小車在橡皮筋的作用下彈出，沿木板滑行.當用2條、3條……同樣的橡皮筋進行第2次、第3次……實驗時，每次實驗中橡皮筋拉伸的長度都保持一致，那么，第2次、第3次……實驗中橡皮筋對小車做的功就是第1次的2倍、3倍……如果把第1次實驗時橡皮筋做的功記為W，以后每次做的功就是2W、3W……

由于橡皮筋做功而使小車獲得的速度可以由紙帶和打點計時器測出，也可以用其他方法測出.這樣，進行若干次測量，就得到若干組速度的數據.

圖1

以橡皮筋對小車做的功為縱坐標，小車獲得的速度為橫坐標，以第1次實驗時的功W為單位，作出W-v曲線，即功－速度曲線.分析這條曲線，可以得知橡皮筋對小車做的功與小車獲得的速度的定量關系.因小車動能的多少可通過橡皮筋給它做功的多少來得到，所以通過以上方法可以得出動能與速度之間的關系.

此方法在定量測量上有它的優勢，但也存在一定的不足.（1）動能與質量的關系未能獲得，但可通過改變小車的質量來進行彌補；（2）實驗用時較長，往往需一課時才能完成；（3）實驗誤差較大，因小車與木板間，紙帶與打點計時器間存在摩擦且較難抵消；（4）實驗器材較多，不便攜帶，靈活性不夠，及很難找到完全相同的橡皮筋等，在只需定性了解動能與質量、速度間關系時體現不出優勢.

2 自制儀器呈現

如何快速并較準確地探知動能與質量、速度的關系，讓它成為課堂上的一個重要探究點，筆者利用實驗室零散器材組裝了一個動能探究儀（如圖2、3所示），在課堂教學過程中成為一個亮點，取得了較好的效果.

材料：可調水平的底座、雙桿支架、長方體物塊、可定位指針、鋼球、塑料球、示教量角器、線等.

制作：如圖3所示，將示教量角器倒立固定于雙桿支架，長方體物塊做成四線擺形式，鋼球和塑料球均采用雙線擺形式.

圖2

圖3

注意點：底座應具有調水平功能，以便在不同實驗地點進行水平調節.雙桿支架可有效固定量角器和上端懸掛平臺，穩定性好，優于單桿支架.物塊端面應平整，采用四線擺形式，四線上端有可調高度螺母，可隨時調節物塊狀態，確保有效碰撞并能平穩擺動.鋼球和塑料球均采用雙線擺形式，使其擺動在一個平面內，并使二球球心位置與物塊端面中心點位置對應.指針必須具有定位能力，可在轉軸中加彈簧，調節螺絲至松緊適度即可，太松會導致不能定位，太緊則會影響轉動.

原理及方法：利用物體具有能量的特征是能對外做功，且功是能量轉化的量度，所以想要知道物體動能的大小可通過它對外做功情況來判定.利用轉換思想結合控制變量法進行實驗.

步驟：先保持質量不變，即用同一個球（如鋼球）從不同擺角處下擺至最低點與物塊碰撞，觀察物塊的擺動幅度，擺動幅度可由定位指針顯示出來.結論：小球擺角越大，則被撞物塊擺動幅度越大，說明小球對它做功越多.進一步說明小球擺至最低點時動能越大，即在質量相同的情況下，速度越大，動能越大.

再保持擺角相同的情況下，確保擺至最低點時速度相同，用不同的擺球（鋼球和塑料球）分別去撞擊物塊，觀察物塊被撞后的擺動幅度.結論：鋼球（即質量大的球）撞擊后物塊擺動幅度明顯大于塑料球撞擊后物塊的擺動幅度.進一步說明了鋼球擺至最低時的動能大，即在速度相同的情況下，質量越大，動能越大.

結論：運動物體的動能大小與物體的質量和速度有關，質量相同時，物體運動速度越大，動能越大；速度相同時，物體質量越大，動能越大.

優點：（1）靈活性高.所有器材安裝在同一基座上，整體性好，攜帶方便；（2）操作方便.每位學生均能操作，無須過多指導；（3）成功率高.在調整好基座的前提下正確操作，成功率接近100%；（4）可視性強.現象明顯，通過可定位指針的擺角大小可直觀地比較出動能的大小；（5）實驗用時短，可反復進行，無耗材等.當然不足之處也是存在的，如用于定性討論效果好，若用于定量研究則誤差較大（通過擺角可計算速度）.

拓展：（1）動量守恒演示.只需去掉物塊，改為擺球間的碰撞即可演示動量守恒實驗，雙線擺保證了擺球的對心碰撞，可定位指針可直觀地反映出擺球的擺動幅度（即速度大小），對相同小球間的速度交換實驗，效果尤為明顯；（2）探究單擺周期的影響因素實驗.可通過控制變量法來進行，可比較同擺長時不同質量擺球（鋼球、塑料球等）的擺動周期，也可比較同一擺球在擺動幅度不同時的周期關系，還可在擺球（用鋼球）下方放置磁體來等效改變場力來比較周期的變化等.

3 其他方法介紹

通過實驗探究動能影響因素的方法還有很多，下面再列舉一種有較好效果且已被一部分教師采用過的方法.

圖4

如圖4所示，讓小球從光滑的導軌上滾下，獲得一定的速度，再與靜止的木塊相碰，推動木塊做功，從木塊移動的距離來得出小球動能的大小，較果也較好.

第1種情況：讓同一小球從不同的高度滾下，可以看到，高度大時小球把木塊推得遠，對木塊做的功多.說明高度越大，滾到底端時速度越大，在質量相同的情況下，速度越大，對外做功的本領越強，說明物體由于運動而具有的能量越多.

第2種情況：讓質量不同的小球從同一高度滾下，可以看到，質量大的小球把木塊推得遠，對木塊做的功多.說明相同的高度滾下，具有的末速度是相同的，之所以對外做功的本領不同，是因為小球的質量不同，在速度相同的情況下，質量越大，對外做功的能力越強，也就是說物體由于運動而具有的能量越多.

從而可以得出結論：物體的動能與質量及運動速度有關，質量越大，運動速度越大，則物體的動能越大.

此實驗的不足之處：小球及木塊的運動方向較難控制，碰撞往往不發生在端面中心，導致木塊運動方向偏離.誤差很大.

物理實驗是物理教學的一個重要組成部分，它既是物理教學的重要基礎，又是物理教學的重要內容，我們應充分重視實驗教學.通過實驗，讓學生初步掌握一些常用的實驗技能、技巧，同時培養學生實事求是、嚴肅認真的科學態度和科學方法，這同時也是培養學生科學素質和提高物理教學質量的重要環節.物理教師應摒棄讓學生只限于接受公式規律和機械運算的教學，而應尊重物理學科的特點，從學科本身出發，重視物理學的學科體系和教學的邏輯結構，注重知識傳授同時重視過程教學，真正體現物理學科的科學價值.