運用拼插積木設計初中物理力學“小”實驗的探究

趙娟榮

（漳州市第三中學，福建 漳州 363000）

拼插積木融合游戲與學習于一體，其中包含諸多豐富的難易不等的物理、數學方面的原理和知識，可在初中物理教學中生動、直觀呈現。筆者充分利用拼插積木的工具和方式，開發和設計初中物理力學“小”實驗教學。

一、利用拼插積木改進“探究影響動能大小因素”的實驗

（一）已有教材中實驗設計原理及存在問題

關于動能大小的影響因素的實驗探究，已有教材利用小球從斜面下滑使小球進入水平面時獲得一個初速度，即具有一定的動能，小球撞擊放置在水平面上的木塊，通過木塊滑行距離體現小球動能大小，并進一步探究“動能大小與物體質量和運動速度的關系”（見上海科技出版社八年級物理全冊第十章第6 節《合理利用機械能》）。整個設計思路較為簡單，但在實際實驗中發現至少存在兩方面的問題：一是小球從斜面上滑下，軌跡不穩定，下滑撞擊木塊的部位會變化，木塊的軌跡也會發生變化，不便于測量出木塊滑行距離，導致穩定性差；二是在探究質量對動能大小的影響的實驗過程中，教材中設計為質量不同的木球和鋼球從同一高度滑下，分別撞擊放在水平面上同一位置的木塊，理論上質量不同的小球從斜面的同一高度滑下，運動到水平面時，它們的速度大小相等。由于涉及高中物理知識，初中階段無法給出理論解釋，而教材實驗設計分先后步驟進行，并不能確保質量不同的小球從同一高度滑下時到達水平面的速度相同，導致實驗現象對比不明顯，給學生造成了一些認知困難。

（二）實驗改進設計

針對原有實驗實際操作中出現的問題，以便于學生從感性到理性接受實驗信息，更有利于實驗過程的同步化呈現，筆者從拼插積木操作中獲得靈感和啟發，經過多次探索和驗證，對原有實驗加以改進。

1.實驗改進的思路

（1）利用拼插積木中的軌道、滑梯、磚片、底板來安裝斜面和水平軌道。小球和木塊都可以在軌道的滑槽內運動，可提高撞擊的穩定性，如圖1 所示。

（2）將“先、后”實驗改為“并排”實驗，保證實驗同步進行，如圖1 所示。

圖1

2.改進后的實驗需要的實驗器材

拼插積木（軌道、磚塊和滑梯）、底板、兩個質量相同的小鋼球、兩個質量不同的小鋼球、兩個體積相同的木塊、一把尺子、兩個塑料片。

3.實驗步驟

（1）利用拼插積木和底板，安裝斜槽和水平軌道。

（2）用一把尺子同時擋住兩個質量不同的小球，移開尺子，兩個質量不同的小球同時從同一高度滾下，觀察兩個小球的運動快慢，比較木塊被撞擊后運動的距離。如圖2 所示。

圖2

（3）用兩個塑料卡片同時擋住兩個質量相同的小球，同時移開卡片，兩個質量相同的小球同時從不同的高度滾下，比較木塊被撞擊后運動的距離。

4.設計實驗表格

實驗表格設計見表1、2。

表1 質量不同小球從相同高度滑下

結論（1）：速度相同時，質量大的物體能做的功多，表明它具有的動能大。

表2 質量相同的兩個小球同時從不同高度滾下

結論（2）：質量相同時，速度大 的物體能做的功多，表明它具有的動能大。

（三）改進后的實驗效果

通過改進實驗，發現此設計存在以下優點：1.借助于軌道的約束，小球和木塊的運動軌跡明確，確保小球撞擊木塊時撞擊位置相同，進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和有效性；2.“并排”實驗，使得學生更易觀察：在斜面的同一高度釋放小球，可使不同質量的小球獲得相同的水平速度。而且，木塊移動距離的遠近對比一目了然。3.做好的軌道也便于學生進行測量距離，實驗更加準確可靠。4.實驗裝置容易拼插，更適合學生重復操作實驗，學生的參與性、獲得感及動手能力必然會提升，學生的實驗素養也會獲得提高。

二、利用拼插積木進行“杠桿平衡條件的應用”的輔助教學

（一）補充探究杠桿平衡條件的實驗

杠桿是生活和生產中最常見、最簡單的機械，其他簡單機械很多可以看成杠桿的變形，是省力還是費力，都要從杠桿的平衡條件的角度去分析。課程標準要求學生通過參與實驗探究活動，得出杠桿的平衡條件，充分體現“從生活走向物理”的基本理念。

教師可以利用拼插積木（梁、軸、銷、軸套等）制作如圖3a 所示的實驗裝置，要求學生能分析出此杠桿的五要素。教師請學生按壓桿上不同的點，為使橫梁在水平位置平衡，學生使的力氣不一樣，讓學生知道在阻力、阻力臂長度不變的情況下：動力臂越長的越省力，動力臂越短的越費力，讓學生體驗從物理事實到物理規律的思想升華。接下來判斷三種類型的杠桿：1、省力杠桿，動力臂＞阻力臂；2、費力杠桿，動力臂＜阻力臂；3、等臂杠桿，動力臂=阻力臂，如圖3b 所示。讓學生知道省力杠桿省力卻費距離，費力杠桿費力卻省距離。

圖3a

圖3b

（二）杠桿的應用實例分析

在生活、生產實踐中，人們常常利用杠桿的平衡原理解決問題。為了培養學生將知識應用于日常生活，社會實踐的意識，可以用拼插積木搭建各種實用的杠桿的模型，模擬演示它們的功能，體現“從物理到社會”的教學理念。

1.投石機模擬設計

投石機是古代的一種攻城武器，可把巨石投進敵方的城墻和城內，造成破壞。在三國時期的官渡大戰中，它就是曹軍賴以扭轉頹勢，打敗袁紹的“霹靂車”。投石機完美地展現了物理學中杠桿的獨特魅力，它可以簡化為圖4a 所示的配重式的投石機模型。它的一端掛有重物，而另一端裝有待發射的拋物，讓重物的一端落下，拋物也順勢被拋出。根據圖4a 的模型圖，可以利用拼插積木中的梁、連桿、片、磚、軸、銷、軸套、連接器等制作一個簡易的投石機，如圖4b 所示。通過這個裝置，教師引導學生分析杠桿的五要素，判斷是省力杠桿還是費力杠桿，并鼓勵學生動手操作，讓學生有直觀的體驗，提高學生參與課堂活動的積極性。

圖4a

圖4b

2.進出口的欄桿模擬設計

如圖5a 所示是安裝在學校進出口的欄桿示意圖，當在A 處施加一個壓力F 時，可將欄桿拉到如圖5a 所示位置。教師引導學生分析杠桿的五要素，據此得出壓力F 是動力，欄桿的重力G 為阻力，由于壓力F 的力臂L1 小于重力G 的力臂L2，所以該杠桿為費力杠桿，可省距離。根據圖5a 的示意圖，利用拼插積木制作進出口的欄桿的模型，如圖5b 所示，其結構簡單，便于操作，更容易讓學生理解和接受它所隱含的物理原理。

圖5a

圖5b

三、“滑輪和滑輪組”教學中的拼插積木運用

（一）“滑輪和滑輪組”實驗設計

滑輪是學習杠桿基礎上的又一種簡單機械。拼插積木中有款式多樣的滑輪，滑輪分為定滑輪和動滑輪。在傳統的實驗中，需要鐵架臺來輔助固定滑輪或者繩子，比較笨重，而利用拼插積木可以制作一個穩定的框架，可以在上面安裝滑輪，采用該裝置便可探究滑輪的作用。

如圖6a 所示，軸不動的滑輪，叫做定滑輪。繩子跨過定滑輪，一端系上重物，另一端用彈簧測力計測出拉力的大小。改變重物的質量以及拉力的方向，多次測量。通過探究得到定滑輪不能省力，也不能省距離，但它可以改變力的方向。

圖6a

如圖6b 所示，滑輪的軸跟隨物體一起運動的滑輪，叫做動滑輪。按圖6b 所示安裝好動滑輪（繩子一端固定在框架上，另一端繞過動滑輪，重物掛在動滑輪上），用彈簧測力計測出重物的重力和繩子自由端的拉力，并觀察拉力的方向。改變重物的質量，多次測量。實驗得出的結論：使用動滑輪，省一半的力，但不能改變力的方向。

圖6b

如圖6c 所示，動滑輪和定滑輪組合成滑輪組。用彈簧測力計測出重物的重力和繩子自由端的拉力，并觀察拉力的方向。改變重物的質量，多次測量。實驗得出的結論：使用滑輪組，不但可以省力，還可以改變力的方向。

圖6c

（二）滑輪組的應用實例——起吊機的模擬設計

滑輪組在日常生活和生產中，有著廣泛的應用，任何大型機械都少不了滑輪的身影，它們都是杠桿、滑輪等簡單機械的有機組合。由于學生缺少一些勞動生產的經驗，不能直觀感受簡單機械的應用，這給學生理解知識帶來困難。再者，一些機械由于外殼的封裝，內部一些杠桿、滑輪等零件不易觀察到，對學生了解它們的工作原理也帶來了障礙。教師可利用滑輪、插銷、橫梁等拼插積木制作起吊機的模型，如圖7所示，拉動繩子，可以把重物提起來。讓學生用彈簧測力計測出重物的重力和拉動繩子的拉力的大小，比較這兩個力的大小關系。通過此裝置，學生不僅加深對滑輪組作用的理解，還培養學生樂于探究生產、生活中隱含的物理原理的意識。

圖7

四、“二力平衡條件”的補充實驗設計

（一）拼插積木對原有實驗的補充改進

課程標準要求學生在得出平衡力的概念之后，通過實驗探究得出二力平衡的條件。教材中的實驗裝置是以一張兩端系有細繩的紙板作為研究對象，并把它放在一個兩端帶有滑輪的長木板上，兩端的細繩跨過滑輪下端掛上重物。紙板在水平方向上受到兩個力的作用，探究紙板處于靜止狀態時，這兩個力的三要素的關系（見上海科技出版社八年級物理全冊第七章第3 節《力的平衡》）。但在實際實驗中發現這個裝置存在以下幾個方面的問題：一是帶有滑輪的長木板是固定做好的，不能拆卸，且木板太長，實驗裝置比較笨重，不方便放于實驗桌上；二是該裝置水平放置，如果用于教師演示，學生不容易觀察到紙板的受力情況，實驗現象呈現效果比較差。

針對原有實驗出現的問題，筆者利用拼插積木設計出實驗需要的裝置，如圖8 所示，補充了原有的實驗。

1.實驗器材：

拼插積木（滑輪、梁、插銷）、紙板、細繩、鉤碼

2.實驗步驟：

（1）按圖8 所示組裝實驗裝置。

圖8

（2）在細線的兩端懸掛質量相同的鉤碼，觀察：紙板的運動情況（運動、靜止），受力情況（水平方向上所受力的大小、方向、作用點），并記錄。

（3）在細線的兩端懸掛質量不相同的鉤碼，重復以上內容。

（4）把輕紙板扭轉一個角度，松手，重復以上內容。

（5）用剪刀把紙板從中間剪開，觀察紙板的運動。

（6）改變裝置中其中一個滑輪的位置，使得兩條細線在一條直線上但不是水平方向上，重復以上步驟再次實驗。

3.改進后的實驗效果：（1）實驗裝置在豎直平面內，不管是教師演示還是學生分組實驗，學生容易觀察到紙板的受力情況和運動情況，實驗現象呈現清晰。（2）紙板在豎直平面內懸空，受重力的影響較不明顯，兩邊受到繩子的拉力可認為在水平方向上。（3）裝置組裝拆卸方便，方便學生重復實驗。

（二）該裝置的拓展應用

把圖8 裝置中的紙板換成彈簧測力計，便可用于教師講解彈簧測力計在兩端都受力的情況下彈簧測力計的示數應該是多少的問題。如圖9 所示，物體A和B 的重力相同，均為2N，則彈簧測力計C 的示數是多少呢？（細繩與彈簧測力計重力不計，摩擦力不計）學生對這種問題很不理解，誤以為彈簧兩端都受力，彈簧受到的合力應該是二者相加，結果顯示4N。其實，彈簧要伸長，兩端一定都要受到拉力。如果只受到一端的拉力，力的作用效果是使彈簧處于運動狀態，而不是使彈簧伸長。當彈簧兩端都受力且相等時，彈簧處于靜止狀態，力的作用效果是使彈簧發生形變，即伸長。根據二力平衡的條件，用彈簧測力計測力時，彈簧測力計彈簧的形變實質是固定彈簧的力與被測力兩個力共同作用的結果（所以彈簧能靜止平衡）。這兩個力是一對平衡力，大小相等。彈簧測力計顯示的是其中一個力的大小，所以彈簧測力計的示數應該是2N。

圖9

該裝置不僅組裝方便，而且便于教師分析問題，大大提高了教學效率。

初步的初中物理力學“小”實驗設計實踐表明，拼插積木可大大提高學生接受實驗原理和掌握操作方法的能力，也更有利于教師發揮自己的教學設計能力，創造性地開展實驗教學，總體上補充和改進了原有初中物理力學實驗，使得教學形式多樣化，這符合新課程標準的理念。教師也可引導學生探索搭建各種實驗裝置，進行實驗探究活動，尤其是力學原理設計的機械類搭建，在“玩”的過程中，學生更容易接受和掌握知識，學得輕松也更有興趣，從而能促進物理核心素養中“實驗探究”素養的養成。