創新研發自制教具，提高物理教學質量
——以過山車模型為例

文∣王明玉

法國科學方法論學者阿雷說:“科學的基本活動,就是探索和制定模型?！边@個觀點也適用于物理教學的基本活動。過山車模型是圓周運動和機械能守恒定律重要的綜合模型，在高中物理知識中占有極其重要的地位。在教學中教師通常會使用實驗室里的過山車模型作為演示實驗，激發學生的興趣。然而，現有的教具形式較為單一，從整體上來看還是不夠完善。為了改善此種情況，教師可研發自制教具，豐富物理教具的形式，拓展教學內容，為學生學習物理知識提供更加全面的支持，調動學生的物理學習興趣，創造性地進行實驗教學工作，提高物理教學質量。

一、實驗室常見的過山車模型

實驗室常見的過山車模型通常為雙線軌道(如圖1)或鋁制軌道(如圖2)，教師演示時，讓小球從某一高度開始下滑實驗中，學生觀察到，當小球起始高度較小時，無法通過圓環最高點；當小球起始高度較大時，可以通過圓環最高點。

圖2

圖3

此常見實驗儀器操作簡單，效果明顯，能很好地激發學生的興趣，引導學生提出問題。但在做演示實驗時，需要架高支架才能有較好的展示視野，且支架固定不能變化；此外，該雙線軌道過山車模型摩擦力較大。

二、根據教學需要，創新研發過山車模型教具

(一)自制兩環過山車模型

在實際教學中，筆者利用PVC電線槽的蓋子自制過山車，如圖4所示。材料選擇如圖5所示。

圖4

圖5

教學過程中，當小球運動時，學生可以看到自制的兩環過山車軌道在微微晃動，能夠直觀感受到軌道受球的壓力，理解軌道和球之間的彈力，這有助于學生對球做受力分析。改進后的實驗材料簡單易得，造型多變，可塑性強。單環、兩環、多環，甚至制作成一個“大型”的模擬過山車游樂場。學生還可以探究如何設計模擬過山車游樂場，怎樣才能讓球可以順利地通過多環過山車，猜想并計算圓環半徑和小球下滑高度關系并驗證，這極大地開發了學生的思維。但該改進裝置同時也有一定的缺點，材料較難固定，需要多人合作固定或制作固定板。而且，材料很難彎成正圓，容易折壞而變形。

(二)可吸黑板的過山車模型

由于自制兩環過山車模型存在一定的缺陷，我們又進一步探索了可吸黑板的過山車模型。材料選取可彎曲鋁合金窗簾軌道(約2米)及側裝配件、磁鐵、小鋼球(也可用玻璃珠代替)，如圖6所示。

圖6

可吸黑板的過山車模型具有可塑性強，彎曲后能固定成型等特點，制作模型時無需他人協助，且使用方便，可吸附在帶磁性或鐵質的黑板上，甚至是鐵門等只要在模型磁鐵處有對應的鐵質材料即可固定，側裝配件位置可移動。此外，該模型無支架，造型可多變，可以通過調整軌道高低來進行探究，如圖7所示。

圖7

但可吸黑板的過山車模型也存在一定不足。雖然是柔性窗簾軌道，手動可以掰彎，但還是比較困難，且手工繞制的軌道難以做到正圓，也不能按半徑要求去繞制，繞錯了難以更改。

三、模型在教學中的應用

(一)豎直平面上的圓周問題

在進行豎直平面的圓周運動時，教師首先播放游樂園的過山車視頻，向學生提出問題：通過最高點時人會不會掉下去或被甩出去(如圖8)？在此問題中，主要探究圓周運動的最高點和最低點。

圖8

待學生回答完問題后，教師進行可吸黑板的過山車模型演示，讓學生觀察：小鋼球要么過不了圓環最高點；要么過得了最高點卻在“拱橋”最高點飛了出去。此步驟讓學生有意識的“建模”，即建立過山車模型。

教師向學生提出任務：小球如何順利通過最高點。

學生思考物體能做圓周運動的關鍵是要有外力充當向心力，讓物體持續繞著圓心做圓周運動；物體做豎直平面圓周運動時，是怎樣的力充當向心力，使物體做圓周運動呢？

教師引導學生分析在臨界點，小球的狀態。提出任務情景“順利通過圓環最高點”。教師出示例題1。

【例題1】

如圖9所示，一質量為m的小球，在半徑為R光滑軌道上，使其在豎直面內作圓周運動。

①小球是做勻速圓周運動嗎？

②小球在運動過程中，受到哪些力的作用？

③小球能在豎直平面內作圓周運動，在最高點和最低點時，向心力由什么力提供？

④若小球通過最高點時速度比較小，只是恰好能通過最高點，則這個速度是多少？

圖9

教師再出示例題2讓學生了解第二種模型：順利通過拱橋最高點。

【例題2】

如圖10所示，一質量為m的小球，通過光滑拱橋，最高處圓弧半徑為R，則：

①小球在運動過程中，最高點受到哪些力？

②若小球通過最高點時速度比較小，只是恰好能通過最高點，則這個速度是多少？

③若小球通過最高點時速度比較大，又不會飛出去，則這個速度不能超過多少？

圖10

通過例題1和例題2的引入，教師引導學生探索在可吸黑板的過山車模型中，改變小球放置的位置，會影響小球通過最高點的速度，也會影響實驗結果。探索時可以進行測量，定量計算，驗證和結果討論。

(二)機械能守恒問題

教師出示例題3，讓學生在自制過山車模型上實驗。

【例題3】

一質量為m的小球從光滑軌道高h處從靜止開始下滑，軌道圓環半徑為R，則h多大時小鋼球滑下后做如下運動：

①小鋼球能夠通過最高點并沿整個軌道安全運動；

②小鋼球將在軌道下半環來回往復運動，且起點與終點高度位于同一水平線上；

③小鋼球將在軌道上半環某一點以斜上拋的運動方式脫離軌道。

圖11

四、結束語

一件好的自制教具可以引領整節課的問題或是整個知識體系的問題，可以從情景導入、建模、使用自制教具，讓學生進行探究，并在自制教具上進行試驗驗證，分析理論值與測量值，進行誤差的討論，最后得出一些關鍵問題和知識點，整個過程很大地激發了學生的學習興趣和熱情。體驗式的、任務式的教學也能讓問題探究更加直觀形象，從建模到分析，都很好地體現和踐行了對學生的物理核心素養的培養，極大地提高了教學質量。