曲線運動演示儀——自制教具展示作品文章之二

曲線運動演示儀
——自制教具展示作品文章之二

梁振華

(德清縣第一中學浙江 湖州313200)

摘 要：利用沾水的物體能在水寫布上留下軌跡的特點，對教材中的相關實驗進行了改進，制作的曲線運動實驗裝置能夠直觀地演示曲線運動的方向，從而變靜觀為體驗.

關鍵詞：曲線運動速度方向水寫布

收稿日期：(2015-01-23)

1引言

物理是以實驗為基礎的一門學科，在人教版物理教材(新課標版)中增加了大量的實驗，體現了科學探究的新課程理念.在“曲線運動”中，曲線運動的速度方向和運動條件，是教學中的重點和難點.筆者按照課本提供的素材和實驗進行講解時，發現了一些問題.

1.1砂輪實驗

課本原引：觀察圖1描述的現象，你能不能說清楚，砂輪打磨下來的熾熱微粒沿著什么方向運動？

圖1　課本中展示的砂輪實驗

存在的問題：教師在講解這一內容的時候，對該實驗的處理大多數以事先準備好的影視片段的形式加以展示，很少以實物的形式在課堂上演示.即使將砂輪搬到課堂上，在做好安全保護措施的基礎上，還有著以下幾點問題：

(1)火星的軌跡無法長時間保留，轉瞬即逝.

(2)在重力的作用下，火星的運動軌跡在后半段明顯偏離的直線，形成了曲線.

(3)演示時學生的注意力受砂輪機的巨大聲響和明亮的火星所吸引，很少去關注火星的軌跡.

1.2彎曲軌道實驗

課本原引：如圖2，水平桌面上放置一條彎曲的軌道，它是由幾段稍短的弧形軌道組合而成的.通過壓縮彈簧或者斜面使鋼球由軌道的C端滾入，在軌道的約束下做曲線運動.在軌道的下面放一張白紙，蘸有墨水的鋼球從出口A離開軌道后在白紙上留下一條運動的痕跡，它記錄了鋼球在A點的運動方向.拆去一段軌道，鋼球的出口改在B.同樣的方法可以記錄鋼球在軌道B點的運動方向.白紙上的墨跡與軌道(曲線)有什么關系？

圖2　課本中的彎曲軌道實驗

問題呈現：這一實驗放在砂輪實驗之后，由特殊曲線運動過渡到一般的曲線運動，符合學生的認知規律，也培養了學生的科學探究能力和思維方法.但在實際的操作過程中存在著以下幾個問題：

(1)彎曲的軌道不易制作和尋找；

(2)小球的直徑和軌道大小若差異較大時，小球離開管口時的位置會不一致；

(3)鋼球所帶的墨水經過一定距離之后會消耗殆盡，很難在運動的后半段留下清晰的軌跡；

(4)每次都需要更換白紙，重復性較差，操作不便.

對于上述存在的問題，筆者經過多次研究，利用水寫布上只需用清水就可以留下軌跡的特點，制作了兩個操作簡單、可視性強、效果明顯的教具，在實際教學應用中取得了明顯的效果.介紹如下.

2教具的材料及制作

2.1模擬砂輪實驗

制作材料：方木板,白色水寫布,薄鋁片,電動機,帶開關的電池盒，廢舊光驅,光盤.

制作過程：

(1)利用木工開孔器在木板中心位置開一個直徑約為5 cm的圓孔.

(2)拆解廢舊光驅，拆下光驅驅動電機上的光盤托架.

(3)用薄鋁片制作一個電機安裝支架，用2.5 mm的短螺絲將電機固定在薄鋁片上，并將光盤托架裝在直流電動機轉軸上.

(4)將白色水寫布平鋪在木板上，用雙面膠和膠布固定，并在中心位置開適當的孔.

(5)將薄鋁片支架安裝在木板背面，電動機盡量處于圓孔的中心位置，將電池盒安裝在木板邊緣，并用導線連接電動機.

實驗裝置如圖3所示.

圖3　模擬砂輪實驗裝置的正反兩面

實驗過程：

將實驗裝置水平放置，利用投影儀將裝置投影在屏幕上，將光盤放置在光盤托架上，打開電動機開關，當光盤轉速穩定后，用滴管向光盤上緩慢地滴加清水，此時水被甩到水寫布上，可清楚地看到水滴飛出的運動軌跡，如圖4所示，效果十分明顯.

圖4　實驗現象

實驗優點：

(1)避免了“砂輪實驗”帶來的問題；

(2)實驗可以重復操作；

(3)避免了使用墨水，實驗比較“干凈”；

(4)學生可以自己操作，而不是只是看實驗.

2.2彎曲軌道實驗

制作材料：木板,1 cm厚的廣告泡沫板,廢舊機械式鼠標,水寫布,斜槽,PVC布線槽.

制作過程：

(1)按圖5所示，將廣告泡沫板切割成8塊，使其能夠組合成一個S型的軌道.

圖5　“S”型軌道

(2)將水寫布平鋪在木板上，并用雙面膠和膠布固定.

(3)拆解廢舊鼠標，取出其中的滾球.

(4)在木板的上下兩邊各安裝一個木條，木條之間的間距為：放入組合泡沫板時，S型軌道間距比滾球直徑略大，使滾球能夠在軌道上自由運動.

(5)將斜槽安裝在木板左端，斜槽的末端與S型軌道的一端相切.

(6)截取一段與木板寬度相同的PVC布線槽，安裝在木板的右端，作為滾球的回收槽，防止滾球從木板上飛出.

制作完成的實驗裝置如圖6所示.

圖6　彎曲軌道實驗裝置

實驗過程：

(1)將8塊木板組合成“S”的軌道，木板之間要緊貼.

(2)使沾水的滾球從斜槽上端自由滾下，在水寫布上留下“S”形狀的軌跡.

(3)拆下上下對應的4號兩塊木板，使沾水的滾球從斜槽上端自由滾下，發現小球從末端沿軌跡的的切線方向離開.

(4)依次拆下，3號和2號對應木板，重復步驟(3)，實驗現象如圖7所示.

圖7　實驗現象

實驗優點：

(1)選用機械鼠標的滾球——包裹橡膠的鐵球，避免了小鋼球不沾水的問題；

(2)使用清水和水寫布來顯示小球的運動軌跡，使操作變得簡單和干凈；

(3)可拆卸組合木板演示小球在多點處的速度方向；

(4)開放的軌道，學生可直接觀察小球的運動和水寫布上留下的軌跡.

以上兩個實驗裝置，取材容易，制作簡單，操作簡捷，直接描跡，借助實物投影儀或攝像頭可以讓學生直接觀察實驗的整個動態演示，大大提高了實驗的演示效果，能給學生留下深刻的印象.實驗在水寫布上留下的痕跡經過10 min左右的時間自動消失，實驗的可視性、重復性好.

3后記——材料尋找與制作

本文所述的兩個實驗裝置中用到的一些材料可能不太容易找到，比如白色的水寫布.在文具店能買到的水寫布基本上是帶有“米字格”等圖案的，對實驗軌跡的觀察帶來一定的影響，使得實驗的效果不佳.白色水寫布是筆者從淘寶網上購買的，而且價格比較便宜.其實網絡購物對我們廣大物理教師在制作教具時帶來了極大的便利，基本上很多實驗材料都能在淘寶等網站上購買到.筆者就買過各種電學元件、各種類型和大小的磁鐵等.有時一些材料的加工也可以交給專業人員處理，教師可以根據自己的教學需要，清晰地做出設計和要求即可，比如“S”型軌道的制作，筆者就是在淘寶上給出設計圖之后交給專門制作廣告字的店家制作的.

新時代下我們物理教師進行教具制作也應該有新的模式，教師更應關注實驗方案的創新、實驗效果的改進、新型實驗材料的尋找.

參 考 文 獻

1人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心. 義務教育課程標準實驗教科書 物理·必修2.北京：人民教育出版社，2010

2王憲收.確定“曲線運動速度的方向”實驗的改進.物理通報,2006(8):58～59

3馬功平.“曲線運動”演示裝置的制作.物理實驗,2009,29(6):22～23