“阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

陳丹蓉 鄭淵方

摘 要：“牛頓第一定律”在初中物理教學(xué)中占有重要地位，演示實(shí)驗(yàn)“阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”是這節(jié)課的重難點(diǎn).從實(shí)際教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分離，效果不直觀，操作繁瑣等不足.對(duì)此，利用共面導(dǎo)軌組、三孔擋板及輕質(zhì)小球?qū)υ搶?shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn).改進(jìn)后的裝置能幫助學(xué)生突破障礙，順利得出阻力與物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系.

關(guān)鍵詞：自制教具;牛頓第一定律;實(shí)驗(yàn);改進(jìn)

文章編號(hào)：1008-4134（2019）22-0019 中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 引言

現(xiàn)行的6種初中物理教材在牛頓第一定律一節(jié)中均設(shè)置了一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)“阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”[1].通過讓學(xué)生觀察小車在不同粗糙面上具有不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（不同的距離和不同的速度變化），進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生推理得出“若小車不受外力作用，小車將保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一直運(yùn)動(dòng)下去”的結(jié)論，由此完成關(guān)于“牛頓第一定律”的核心思想的構(gòu)建[2].而教學(xué)實(shí)踐表明，該演示實(shí)驗(yàn)未能達(dá)成預(yù)期的教學(xué)效果，對(duì)此我們結(jié)合教學(xué)實(shí)踐對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，取得了良好的教學(xué)效果.

2 教材實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

主要器材有：斜面、小車、刻度尺、木板、棉布、毛巾.

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

如圖1所示，教師分三次將小車從同一斜面同一高度靜止釋放，分別滑到鋪有毛巾、棉布和木塊的水平面上，學(xué)生比較小車在不同水平面上的運(yùn)動(dòng)距離，得出“阻力越小，物體運(yùn)動(dòng)的距離越遠(yuǎn)”的結(jié)論;比較小車停下來（即小車到達(dá)平面時(shí)的初速度由v0減為0）所用時(shí)間長(zhǎng)短，得出“阻力越小，物體運(yùn)動(dòng)的速度變化越慢”的結(jié)論[3].接著，教師以有限的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為墊腳石，引導(dǎo)學(xué)生推理得出“若小車不受外力作用，小車將保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（運(yùn)動(dòng)距離無限長(zhǎng)和速度不變）”的結(jié)論.進(jìn)而順利引出“牛頓第一定律”.

3 教材實(shí)驗(yàn)的不足

實(shí)驗(yàn)效果不直觀.阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響主要有兩方面：距離和速度變化.按照教材的實(shí)驗(yàn)操作，學(xué)生能通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象順利得出阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響，但難以比較物體的速度變化快慢[4].原因在于，操作被分成三次進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分離.學(xué)生難以對(duì)發(fā)生在不同時(shí)間內(nèi)的小車的速度變化快慢進(jìn)行比較.有的教師通過記錄小車停下來所用的時(shí)間來描述小車的速度變化，這一方法雖有效幫助學(xué)生比較小車的速度變化情況，但給操作帶來了新的負(fù)擔(dān).

實(shí)驗(yàn)操作繁瑣：操作中，為了提供不同粗糙程度的導(dǎo)軌就要多次更換接觸面材料;為了確保小車每次都從同一高度釋放，就要畫標(biāo)記;為了比較小車運(yùn)動(dòng)的速度變化，就要記錄小車停下來的時(shí)間.繁瑣的實(shí)驗(yàn)操作大大降低了課堂效率.

實(shí)驗(yàn)操作不嚴(yán)謹(jǐn)：物體的釋放由教師手動(dòng)進(jìn)行，手容易對(duì)物體施加某一方向的初速度，從而導(dǎo)致物體進(jìn)入斜面的初速度大小或方向不相同.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不穩(wěn)定：在實(shí)際操作中由于導(dǎo)軌兩側(cè)沒有護(hù)欄，小車的方向稍有偏差便會(huì)駛離導(dǎo)軌;另外，接觸面材料的更換易造成材料與斜面之間形成窄小的“凹槽”，這個(gè)“凹槽”常使小車車輪被卡住.這些因素經(jīng)常阻礙了實(shí)驗(yàn)和教學(xué)的順利進(jìn)行.

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)思路

如圖2所示，將三個(gè)導(dǎo)軌呈現(xiàn)在同一個(gè)演示板上，讓物體的三次運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不再分離.實(shí)驗(yàn)時(shí)三個(gè)物體同時(shí)進(jìn)入導(dǎo)軌，學(xué)生只需將視線集中于導(dǎo)軌末端（物體停下來的位置），便能清楚觀察到“毛巾上的物體速度最先減為零，其次是木板上，最后是玻璃上”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)而順利得出“阻力越小，物體運(yùn)動(dòng)的速度變化越慢”的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

利用三孔擋板控制物體的釋放.三孔擋板的孔間距等于導(dǎo)軌間距，擋板恰好能嵌在三個(gè)斜面上.操作時(shí)只需將三孔擋板沿垂直于演示板平面的方向迅速抽離，就能獲得三個(gè)小球同時(shí)從相同高度靜止被釋放的效果.

用體積適中的輕質(zhì)小球代替小車.為防止小球被“凹槽”卡住，小球的直徑應(yīng)盡可能大于凹槽.

將導(dǎo)軌略微向內(nèi)傾斜地安裝在演示板上.如圖3所示，為了讓物體的運(yùn)動(dòng)不脫離導(dǎo)軌，安裝導(dǎo)軌時(shí)可使導(dǎo)軌與展示板間的夾角小于九十度，從裝置的側(cè)面看小球像被嵌在“V”形軌道中.如圖4所示小球運(yùn)動(dòng)時(shí)始終受到來自導(dǎo)軌斜向上的支持力N，這個(gè)支持力有效保障小球不脫離導(dǎo)軌.

5 實(shí)驗(yàn)器材的制作

5.1 制作材料

100cm×80cm的泡沫板2塊，直徑為4cm的泡沫小球3個(gè)，泡沫專用膠1瓶，普通膠水1瓶，小刀1把，刻度尺1把.

5.2 制作方法

用小刀裁剪其中1張泡沫板制成3條6cm×100cm的軌道;用普通膠水在三條水平導(dǎo)軌上分別粘上薄毛巾、薄木板和玻璃紙;用泡沫專用膠將三條軌道等間距平行安裝在演示板上;用刻度尺量取軌道間距作三孔擋板的孔距，取剩下的泡沫板制成三孔擋板.

6 實(shí)驗(yàn)器材的使用方法

如圖5所示，實(shí)驗(yàn)開始前將三孔擋板垂直安插在斜面上，三個(gè)小球分別放在擋板左側(cè).教師迅速抽離擋板，同時(shí)釋放三個(gè)小球.

學(xué)生觀察小球停下來的先后順序，獲得阻力對(duì)小球運(yùn)動(dòng)速度變化的影響;學(xué)生觀察小球運(yùn)動(dòng)的距離，獲得阻力對(duì)小球運(yùn)動(dòng)距離的影響.引導(dǎo)學(xué)生依次填寫表1的第1-3行的“實(shí)驗(yàn)”.

教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步推理得出小球在絕對(duì)光滑平面上的運(yùn)動(dòng)情況，并填寫表1第4行的“推理”，并得出“若小車不受外力作用，將保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一直運(yùn)動(dòng)下去”的推論.

分析實(shí)驗(yàn)過程及表格，構(gòu)建理想實(shí)驗(yàn)思想，得出牛頓第一定律.

7 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀.將三個(gè)導(dǎo)軌呈現(xiàn)在同一展示板上突破了觀察障礙，使學(xué)生能直觀地看到“阻力越小，小球越慢停下來”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)潔.利用三孔擋板同時(shí)釋放三個(gè)小球，既釋放了教師的手，又提高了教學(xué)效率.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象穩(wěn)定.體積適中的小球和略微傾斜的導(dǎo)軌共同幫助小球順利向前運(yùn)動(dòng)，減小了偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.

參考文獻(xiàn)：

[1]占晨達(dá).6種教材“牛頓第一定律”的編排對(duì)比和教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2016，33（11）：3-6.

[2]人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理（八年級(jí)下冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2013.

[3]劉友余.“探究阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)建議[J].湖南中學(xué)物理，2013，28（10）：53-54.

[4]馮錫來.“阻力對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響”演示實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2018，35（10）：24-25.

（收稿日期：2019-07-06）