“汽車過橋”實驗教具的制作與應(yīng)用

(江蘇省南京市第十三中學(xué),江蘇 南京 210008)

人教版高中物理必修2第五章第7節(jié)“生活中的圓周運動”中有汽車過橋的場景,如圖1所示，汽車以一定速度通過拱形橋時,汽車對橋面的壓力小于自身重力,速度越大對橋面的壓力越小;汽車以一定速度通過凹形橋時,汽車對橋面的壓力大于自身重力,速度越大對橋面的壓力越大。

圖1

此實驗是本節(jié)課的重點,也是本章節(jié)不可或缺的一個演示實驗,課程標(biāo)準(zhǔn)中提出學(xué)生要能定量分析汽車通過拱形橋最高點和凹形橋最低點的壓力問題。該實驗源于生活中的場景,在以往的課堂教學(xué)中,通常都是老師展示汽車過拱形、凹形橋的圖片,學(xué)生分析小車的受力情況,從理論上計算汽車對橋面的壓力與自身重力的關(guān)系。或是通過凹凸橋?qū)嶒炑菔緝x,觀察小球通過拱形最高點時兩根鐵絲之間的距離變化來判定壓力的變化,以上教學(xué)效果均不理想,其原因主要有以下幾點:

(1) 汽車過拱形橋、凹形橋源于生活場景,但在日常生活中并不能看到橋面的壓力變化;

(2) 運用講授法學(xué)習(xí)進行教學(xué)，學(xué)生對小車進行受力分析,僅停留在抽象的理論層面；

(3) 把凹凸橋演示儀應(yīng)用于教學(xué)中,小球通過拱形橋最高點和凹形橋最低點時兩根鐵絲間的間距變化不明顯。

基于以上原因,筆者自制了實驗教具,實驗效果很好。

1 實驗方案設(shè)計

實驗要能直觀地看到汽車過拱形橋、凹形橋?qū)蛎娴膲毫εc重力的關(guān)系,但汽車對橋面的壓力不太容易測量,運用相互作用力的知識,測量汽車對橋面的壓力可以轉(zhuǎn)換為測量橋面對小車的支持力。實驗室中測力的儀器有彈簧測力計和力傳感器,但在本實驗中這兩種測力原件都不適合測量橋面對小車的支持力,這一問題可以通過電子秤來解決。電子秤的精度非常高,能夠精確到0.001kg,根據(jù)測出物體的質(zhì)量,需要設(shè)置電子秤中的單價為9.8元/kg,總價格即為力的大小,從而解決了測量汽車對橋面的壓力問題。實驗中讓小車從斜面的不同高度由靜止釋放,高度不同，小車通過橋面的速度就不同,高度越高,汽車通過橋面的速度越大,解決了汽車需以不同速度通過橋面的問題。

2 實驗器材與教具制作

實驗器材為：小車、電子秤、鋁板、PVC發(fā)泡板等。

教具的制作步驟為：

(1) 用PVC發(fā)泡板制作一個帶有平臺的斜面(小車從斜面釋放能夠獲得水平速度)以及另一水平平臺,具體尺寸如圖2所示;

圖2

(2) 裁剪鋁板,長度為38cm,寬度為25cm,兩端用力向內(nèi)彎曲,制作拱橋模型;用PVC板分別制作拱形橋和凹形橋的底托(如圖3)。

圖3

3 實驗過程及分析

3.1 汽車通過拱形橋

(1) 將帶有斜面的平臺、電子秤、底托、拱形橋依次放好,調(diào)節(jié)拱形橋的高度與兩平臺等高;

(2) 使用電子秤的“去皮”功能,消除拱形橋的重力對實驗結(jié)果的影響;

(3) 如圖4所示,小車靜止在橋面的最高點,設(shè)置單價為9.80元/kg,電子秤的總價格即為小車對橋面的壓力,記錄靜止時對橋面的壓力為1.67N;

圖4

(4) 如圖5所示,小車分別從斜面的不同高度由靜止釋放，通過拱形橋,在表1中記錄小車釋放的高度、通過拱形橋最高點時對橋面的壓力，并繪制橋面壓力隨小車釋放高度變化關(guān)系圖(如圖6)。

圖5

圖6

高度/m0.260.280.300.32壓力大小/N1.561.511.471.38

實驗結(jié)論:汽車以一定速度通過拱形橋時對橋面的壓力小于自身的重力,速度越大對橋面的壓力越小。

3.2 汽車通過凹形橋

(1) 將制作的拱形橋上下面翻轉(zhuǎn),換用凹形橋底托,即可將拱形橋變?yōu)榘夹螛?調(diào)節(jié)凹形橋兩端與平臺等高;

(2) 使用電子秤的“去皮”功能,消除凹形橋的重力對實驗結(jié)果的影響;

(3) 如圖7所示,小車靜止在橋面的最低點,記錄靜止時對橋面的壓力為1.67N;

圖7

(4) 如圖8所示,小車分別從斜面的不同高度由靜止釋放,在表2中記錄小車釋放的高度、通過拱形橋最低點時對橋面的壓力，并繪制橋面壓力隨小車釋放高度變化的關(guān)系圖(如圖9)。

圖8

圖9

高度/m0.240.260.280.30壓力大小/N1.962.062.152.25

實驗結(jié)論:汽車以一定速度通過凹形橋時對橋面的壓力大于自身的重力,速度越大對橋面的壓力越大。

4 結(jié)語

通過巧妙設(shè)計拱形橋和凹形橋模型的實驗教具,現(xiàn)場模擬汽車過橋情境,填補了生活中的圓周運動在教學(xué)中的實驗空白,老師無需通過圖片進行理論講解,學(xué)生也無需僅憑生活情境抽象記憶。通過該實驗,學(xué)生可以清晰地觀察到汽車通過拱形橋、凹形橋時對橋面的壓力與汽車自身重力的關(guān)系,以及汽車通過橋面的速度與汽車對橋面的壓力之間的關(guān)系。現(xiàn)場實驗演示直觀、真實,對于定量分析汽車通過拱橋最高點和凹形橋最低點的壓力問題有很大的幫助,能夠很好地解釋為何生活中大多數(shù)橋都是拱形橋,以及汽車在通過拱形橋時為何需要減速慢行等常見問題,同時可以對學(xué)生進行相關(guān)安全知識教育,達到寓教于樂、學(xué)以致用的目的。

實驗教學(xué)是物理課程學(xué)習(xí)中一個十分重要的環(huán)節(jié),精巧的實驗教具設(shè)計可以將抽象的生活情景進行現(xiàn)場重現(xiàn),將復(fù)雜的物理知識轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚娜の懂嬅?不僅能夠增強學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,還能夠讓學(xué)生體會到物理源于生活,拉近物理和生活之間的關(guān)系。