“動(dòng)能 勢(shì)能 機(jī)械能”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

(江蘇省常州市常州外國(guó)語學(xué)校,江蘇 常州 213031)

1 探究影響動(dòng)能大小的因素：斜面實(shí)驗(yàn)

課本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)利用小車從斜面下滑撞擊木塊，通過木塊滑行距離體現(xiàn)小車動(dòng)能大小，并進(jìn)一步探究“動(dòng)能大小與物體質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系”。設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單合理，學(xué)生操作也方便。但在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：小車下滑撞擊木塊的軌跡會(huì)發(fā)生變化，穩(wěn)定性不夠，原因如下：(1) 同一輛小車前后兩次下滑，由于受到斜面平整度、摩擦力等因素的影響會(huì)使其運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變；(2) 運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變會(huì)導(dǎo)致小車撞擊木塊時(shí)撞擊部位的變化；(3) 木塊受撞擊部位和水平面粗糙度的不同，導(dǎo)致不能確保其運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹本€，從而影響實(shí)驗(yàn)測(cè)量與比較。

針對(duì)實(shí)際操作中出現(xiàn)的問題，筆者改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)，需要的實(shí)驗(yàn)器材有：斜面、包邊卡條、質(zhì)量不同的金屬小球、圓形木棍。

改進(jìn)的思路是：(1) 為提高撞擊的穩(wěn)定性，利用家裝材料中的包邊卡條在斜面上安裝軌道，連接到水平桌面上(如圖1)。(2) 用金屬小球代替小車從軌道中下滑，用圓形木棍代替木塊放置于水平軌道的一端，小球撞擊木棍，推動(dòng)木棍在水平軌道中移動(dòng)，從而進(jìn)行探究。

通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此設(shè)計(jì)存在以下優(yōu)點(diǎn)：(1) 借助于包邊卡條做成的軌道，小球和木棍的運(yùn)動(dòng)軌跡清晰，路徑確定，避免了摩擦力和接觸面平整度的影響，提高了探究的有效性；(2) 借助于軌道的約束，確保小球撞擊木棍過程中撞擊位置相同，進(jìn)一步排除其他影響因素，控制潛在變量，提高了探究的可靠性；(3) 選擇合適的金屬小球和圓形木棍，結(jié)合兩種材質(zhì)的特點(diǎn)，使之發(fā)生完全非彈性碰撞，小球能夠推著木棍運(yùn)動(dòng)，使學(xué)生感受到做功的過程，凸顯能量的概念；(4) 做好的軌道也便于學(xué)生進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)更加準(zhǔn)確可靠。

圖1

2 利用測(cè)速儀驗(yàn)證速度問題

在探究“質(zhì)量對(duì)動(dòng)能大小的影響”過程中，應(yīng)控制撞擊瞬間速度相同，課本中“信息快遞”說明：質(zhì)量不等的小車從斜坡的同一高度釋放，運(yùn)動(dòng)到水平面時(shí)，它們的速度大小相等。由于涉及高中物理知識(shí)，初中階段無法給出理論推導(dǎo)，但實(shí)際演示時(shí)又難免出現(xiàn)偏差，給學(xué)生造成了一些認(rèn)知困難，很多時(shí)候教師在講解時(shí)也是一帶而過，或是硬性灌輸知識(shí)，效果往往不佳。

筆者在斜面和水平軌道銜接處安裝數(shù)字化測(cè)速儀(如圖2)，測(cè)量小球進(jìn)入水平面時(shí)的初速度，通過數(shù)據(jù)強(qiáng)化學(xué)生對(duì)于該知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限，幫助學(xué)生攻克該實(shí)驗(yàn)的認(rèn)知難點(diǎn)，使學(xué)生知道：在斜面的同一高度釋放物體，可使不同質(zhì)量的物體獲得相同的水平速度。同時(shí)，借助于測(cè)速儀，還可以

進(jìn)一步測(cè)量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證同一物體在斜面釋放的高度越高，進(jìn)入水平面時(shí)速度越大等結(jié)論。

圖2

圖3

3 探究影響重力勢(shì)能大小的因素：打樁實(shí)驗(yàn)

在課本的探究“重力勢(shì)能大小影響因素”的實(shí)驗(yàn)中，利用重物自由下落撞擊樁(小桌子)，觀察樁在沙坑中下陷的程度來反映重力勢(shì)能的大小。類似于斜面實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際操作過程中也存在穩(wěn)定性問題，如重物下落軌跡不穩(wěn)定、撞擊面容易發(fā)生偏差、小桌子下陷時(shí)傾斜等。

筆者也對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，需要的實(shí)驗(yàn)器材有：長(zhǎng)短不同的PVC透明塑料硬管、花泥、質(zhì)量不同但大小相同的圓柱形金屬塊(如圖3)。

利用PVC透明塑料硬管給重物提供下落軌道，把撞擊小桌子改成直接撞擊花泥，通過觀察花泥的下陷程度反映金屬塊的重力勢(shì)能大小，操作簡(jiǎn)單，現(xiàn)象更加清晰，對(duì)比更加明顯。不過此設(shè)計(jì)也存在一些問題，比如在實(shí)驗(yàn)過程中無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)改變管子的長(zhǎng)短，對(duì)比次數(shù)較少；花泥使用后下陷不能恢復(fù)，不能反復(fù)使用。

4 結(jié)語

物理教學(xué)離不開實(shí)驗(yàn)探究，結(jié)合實(shí)際教學(xué)，如何優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使實(shí)驗(yàn)更直觀、更具有可操作性、更易于學(xué)生理解，需要我們不斷嘗試。