初中物理課自制教具的開發(fā)和運(yùn)用研究

邢華斌　王曉燕

【摘 要】物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，但在實(shí)際教學(xué)學(xué)中，現(xiàn)有教學(xué)儀器不可能都能滿足教學(xué)的需求，或存在不足之處，這就需要廣大物理教師根據(jù)自己的教學(xué)思想開發(fā)、自制實(shí)驗(yàn)儀器，彌補(bǔ)現(xiàn)有教具的不足。本文就《滑輪》章節(jié)的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行整合，對原有實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行了大膽創(chuàng)新、改進(jìn)，制作了教具《滑輪組類實(shí)驗(yàn)演示器》，并詳細(xì)說明了該實(shí)驗(yàn)儀器的制作背景、制作材料、使用方法、教學(xué)意義和價值。

【關(guān)鍵詞】自制教具；改進(jìn)；滑輪；滑輪組；演示器

加強(qiáng)初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，但學(xué)校實(shí)驗(yàn)器材的配備往往不能滿足教學(xué)的需要， 我們通過自制教具（或?qū)W具）可以大大改善這一現(xiàn)狀，并能夠較大程度地根據(jù)教師的教學(xué)思想開發(fā)實(shí)驗(yàn)儀器。筆者在多年的教學(xué)實(shí)踐中，對滑輪組類實(shí)驗(yàn)通過不斷的改進(jìn)和創(chuàng)新，自制了《滑輪組類實(shí)驗(yàn)演示器》，用于優(yōu)化《滑輪》章節(jié)的演示實(shí)驗(yàn)，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，在培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神等方面取得了很好的效果?，F(xiàn)就《滑輪組類實(shí)驗(yàn)演示器》的制作與改進(jìn)辦法與大家分享如下：

1 《滑輪組類實(shí)驗(yàn)演示器》的制作背景

初中物理“滑輪”章節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，有三大問題一致困擾著筆者：

1）無論教師做演示實(shí)驗(yàn)，還是學(xué)生做分組實(shí)驗(yàn)，都需要用刻度尺進(jìn)行多次測量并記錄數(shù)據(jù)，花時較多，測量誤差較大。特別是在測量滑輪組繩子自由端移動距離時，用刻度尺不易測量。

2）測繩子自由端的拉力時，實(shí)驗(yàn)要求勻速提升物體，但用手提升重物，很難做到勻速，而按照實(shí)驗(yàn)要求，還要給學(xué)生說成是“勻速提升物體”，理論與實(shí)際不一致，不利于在課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中演示。

3）測繩子自由端距離和《測滑輪組的機(jī)械效率》的實(shí)驗(yàn)中，教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生做分組實(shí)驗(yàn)時，需要站在凳子上提升重物來測量繩子自由端移動的距離，給實(shí)驗(yàn)增加了難度。

為有效解決上述3大問題，筆者在日常的教育教學(xué)及教研活動中，不斷思考、探索，如何制作和改進(jìn)《滑輪》章節(jié)實(shí)驗(yàn)儀器，使實(shí)驗(yàn)更方便、直觀、靈活，易于學(xué)生接受，方便教師講評、演示。

2 教具的教學(xué)意義和價值

自制的《滑輪組類實(shí)驗(yàn)演示器》用于初中物理《滑輪》章節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，起到了很好的教學(xué)效果：

2.1 本教具利用演示板上的方格紙成功地解決了物體被提升時移動的距離和繩子自由端移動的距離測量問題

將坐標(biāo)紙貼在木質(zhì)框架上代替刻度尺，教師做演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生做分組實(shí)驗(yàn)時不必像原裝置那樣測量了鉤碼的初位置后，移動刻度尺去測量彈簧測力計的初位置，鉤碼提升一定高度后，再次測量鉤碼和彈簧測力計的末位置?，F(xiàn)在，教師和學(xué)生可以直接通過坐標(biāo)紙看出各自移動的距離，避免了彈簧測力計因用手提造成的各位置測量值不準(zhǔn)，便于s=nh關(guān)系的得出（s指繩子自由端移動的距離，n指繩子根數(shù)，h指重物移動的高度）。

2.2 本教具利用微型齒輪電機(jī)能夠勻速轉(zhuǎn)動的原理有效解決了勻速提升重物的問題

滑輪組類實(shí)驗(yàn)要球求勻速向上拉彈簧測力計，用原裝置操作時很難控制勻速向上拉升，通過幾年的不斷探索和創(chuàng)新，我們成功地用直流電壓為6V，每分鐘空載轉(zhuǎn)速為60RPM的微型齒輪電機(jī)勻速拉升鉤碼，在教學(xué)中解決了無法用滑輪及滑輪組將鉤碼勻速提升的困惑。

2.3 本教具利用齒輪電機(jī)的長柄有效解決了繩子自由端移動距離過大的問題

實(shí)驗(yàn)時，將繩子繞在齒輪電機(jī)的螺紋絲桿上，教師做演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生做分組實(shí)驗(yàn)時，不用再站在凳子上或桌子上用手去提繩子的自由端，也避免了繩子的自由端移動的距離較大難以測量的困惑，有效解決了用原裝置做多段繩子承擔(dān)物重的實(shí)驗(yàn)時因自由端移動的距離較大，學(xué)生不得不站在凳子上或桌子上拉升物體的困惑。

2.4 本教具解放了師生的雙手，縮短了實(shí)驗(yàn)時間

用原教具做實(shí)驗(yàn)時，學(xué)生一手拉彈簧測力計，一手用刻度尺測量。教師演示時，每做完一步后講評時，要把整個裝置放下；做下一步時又要重新裝配，浪費(fèi)了大量實(shí)驗(yàn)時間，造成學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)時間不夠。而本自制教具只需要用手撥動雙控開關(guān)即可，其他物理量直接可以從圖中看出來，解放了師生雙手、縮短了實(shí)驗(yàn)時間。

3 教具裝置圖

4 特點(diǎn)及用途

4.1 特點(diǎn)

本教具利用方格紙代替刻度尺，便于直接讀取重物移動的距離h和繩子自由端移動的距離s；采用帶齒輪的電機(jī)提供拉力，能夠勻速拉升物體，并能通過繩子自由端彈簧測力計直接讀出拉力的大小；繩子的自由端纏繞在電機(jī)的螺紋長柄上，縮短了實(shí)驗(yàn)的豎直高度；同時解放了師生的雙手，縮短了實(shí)驗(yàn)時間，使實(shí)驗(yàn)結(jié)論更為科學(xué)、合理。

4.2 用途

本教具可滿足初中物理“滑輪”章節(jié)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，不但可以讓學(xué)生認(rèn)識滑輪，了解滑輪及滑輪組的特點(diǎn)，而且可以用做教師演示、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)以得出“使用定滑輪不省力，但能改變力的方向”；“使用動滑輪能省一半的力，但不能改變力的方向”；“使用滑輪組既能省力，又能改變力的方向”等結(jié)論。同時，還能完成《測滑輪組的機(jī)械效率》的實(shí)驗(yàn)操作，通過演示得出滑輪組的機(jī)械效率及影響滑輪組機(jī)械效率高低的因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

5 制作材料

大小為400mm×600mm、厚為20的木板一塊，截面為20mm×25mm、長為40mm、60mm的木條各兩根，方格紙一張、四節(jié)五號電池盒2個，五號電池8節(jié)，微型雙控開關(guān)4個，微型正反轉(zhuǎn)齒輪電機(jī)4個，調(diào)平按鈕4個，鉤碼4個，彈簧測力計2支，細(xì)繩，滑輪及滑輪組，螺桿、螺帽，圖釘、膠帶紙、粘貼紙等。

6 制作方法

6.1 截取大小為400mm×600mm、厚為20 mm的木板一塊，用木條將四周加厚；根據(jù)設(shè)計尺寸在合理的位置開孔，使其大小與電機(jī)、開關(guān)截面一致，用于固定電機(jī)、開關(guān)；將制作成的木質(zhì)框料用粘貼紙美化。

6.2 如圖2所示，將電機(jī)、開關(guān)、電池盒、螺桿安裝到相應(yīng)的位置，并用螺絲、塑料底座固定好后，連接電路，使定滑輪、動滑輪、滑輪組各控制電機(jī)能夠正轉(zhuǎn)、停止、反轉(zhuǎn)。

6.3 如圖3所示，在各演示區(qū)通過實(shí)際操作，根據(jù)測量需求將方格紙貼在各操作區(qū)且標(biāo)明刻度；將調(diào)平按鈕安裝在支架座上后安裝支架。

7 使用方法

7.1 將本教具放置在水平桌面上，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)檢查整個裝置是否前后豎直，若不豎直，通過底座上的調(diào)平按鈕進(jìn)行調(diào)整。

7.2 在定滑輪實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，將定滑輪固定在螺桿上，按照圖示組裝滑輪，繩子自由端固定在電機(jī)螺紋轉(zhuǎn)軸上，看清物體和繩子自由端的位置（細(xì)繩上有一用白色細(xì)線打的結(jié)，可以移動，方便讀數(shù)及固定彈簧測力計），然后將定滑輪控制開關(guān)S1撥到左端，電機(jī)開始通過定滑輪拉動物體，一段距離后將開關(guān)S1撥到中間，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，從坐標(biāo)紙上得出各自移動的距離（可以通過前期調(diào)節(jié)，使其都能達(dá)到整刻度）得出拉力的方向及h與s的關(guān)系（如圖4定滑輪演示區(qū)）；將開關(guān)S1撥到右端，使物體回復(fù)原來的位置后，將彈簧測力計的上下鉤固定在細(xì)線的結(jié)處，開關(guān)S1撥到左端，電機(jī)勻速拉動物體，彈簧測力計顯示出拉力的大小F拉，然后測出重物的重力G物，彈簧測力計的重力G彈，分析得出G物、F拉、G彈之間的關(guān)系（如圖5）。

7.3 在動滑輪實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，按照圖示安裝后，操作同2，通過實(shí)驗(yàn)得出拉力的方向及h與s的關(guān)系（如圖4動滑輪演示區(qū)）；G物、F拉、G滑之間的關(guān)系（連接方法同圖5）。

7.4 在滑輪組實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)，先讓學(xué)生通過該區(qū)域，任意組裝滑輪組，學(xué)會繩子鏈接滑輪組的方法，并通過起始端分別在動滑輪和定滑輪時承擔(dān)重物繩子的根數(shù)n的特點(diǎn)；然后按照圖示安裝，操作同2，通過實(shí)驗(yàn)得出拉力的方向及h與s的關(guān)系（如圖4滑輪組演示區(qū)），以及G物、F拉、G滑、n之間的關(guān)系（連接方法同圖5）。

7.5 在方法4的基礎(chǔ)上，測出滑輪組的機(jī)械效率；分別增加動滑輪G滑的大小，得出G滑大小與機(jī)械效率η的關(guān)系；增加被拉物重G物的大小，得出G物大小與機(jī)械效率η的關(guān)系，并通過實(shí)驗(yàn)研究滑輪組的機(jī)械效率η與h和s是否有關(guān)（實(shí)驗(yàn)組裝如圖4的滑輪組演示區(qū)。）

[責(zé)任編輯：王偉平]