多功能傳送帶實驗演示儀的研制

江瑩

【摘要】針對高中物理傳統實驗中存在的一些不足之處，包括傳送帶問題在教學中缺乏實驗演示、現有測靜摩擦力實驗設計復雜不利于學生理解，以及驗證動能定理實驗無法定量測量做功數值的問題，利用傳送帶結合傳感器、絲桿滑臺和示波屏幕制作出新型教具，演示三個實驗：傳送帶—滑塊實驗、測摩擦力實驗、驗證動能定理實驗.實驗結果表明，新型教具效果明顯，可以提高教師課堂演示實驗的效率，并為學生提供更豐富的探究實驗項目，有助于優化物理新課教學和習題研究的教學設計和方法.

【關鍵詞】高中物理；實驗教學；自制教具

物理學是一門以實驗為基礎的學科.《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》凝練了物理學科核心素養，進一步強調了實驗教學的地位和作用.然而，鑒于傳統實驗教學中存在的不足，教師應當在教學實踐中動態生成更高效的實驗方案，自制更符合本校學生學情的教具，優化與提升實驗教學質量.筆者根據本校學生的情況，研制了一套多功能傳送帶實驗演示儀，可以演示三個實驗：傳送帶—滑塊實驗、測摩擦力實驗、驗證動能定理實驗，在習題情境實驗、課本演示實驗改進、概念規律突破補充實驗這幾個方面做出了嘗試，實驗效果明顯，有助于教師開展實驗化習題教學和演示實驗及為學生進行探究性實驗研究提供更便捷的實驗器材，有助于優化物理新課教學和習題研究的教學設計和方法.

1 傳送帶—滑塊實驗

1.1 問題的提出

高中物理必修一的運動學課程里，有一類傳送帶運送滑塊的經典習題，也是高考備考的熱點習題.該類型習題涉及復雜的物理情境：傳送帶是水平的或傾斜的，滑塊的初速度方向與傳送帶的運行方向相同或相反，滑塊滑上傳送帶后，運動情況可能是一直勻速、一直加速、一直減速、先減速后勻速、先加速后勻速、先向前減速后加速返回等多種運動狀態.滑塊的初速度與傳送帶的運行速度的不同組合導致滑塊的運動性質復雜多樣.要解決這類問題，需要深入分析，除了要熟練掌握物理規律，還要在頭腦中構建一個清晰的動態情境圖形，要詳細地描繪出滑塊在傳送帶上的每一個運動階段，包括初速度、傳送帶的速度、摩擦力、加速度等參數如何影響滑塊的運動軌跡.

然而，由于缺乏生活經驗，許多學生可能從未見過傳送帶，或者只見過貨物與傳送帶以相同速度運動的情況.這導致他們在分析此類問題時，往往會分析不全面，條理不清晰.而目前市場上并沒有任何相應的教具能完整地演示這一情境，教師在課堂上往往只能用語言描述或者用模擬動畫來講解，學生也無法通過親自動手操作、實驗探究來理解和掌握這一復雜的物理現象.

為了解決該難題，筆者研制了傳送帶—滑塊實驗演示儀，如圖1所示.該演示儀能真實地演示出傳送帶傳送滑塊模型時的各種情境，教師授課時可以進行演示實驗，也可以讓學生進行動手探究式學習，激發學生的學習興趣，提高課堂教學效果.

1.2 傳送帶—滑塊演示實驗的制作

1.2.1 滑塊與發射裝置的制作

筆者參考發球機的原理，設計了用雙輪發射滑塊的裝置，為了保證兩輪的轉速一致，采用單馬達通過齒輪傳動來帶動雙輪，防止因為雙輪速度不同導致滑塊發生旋轉而偏離直線軌跡，操作者通過PWM調速器給發射馬達調速，自由設置滑塊的初速度，從而將滑塊精準地發射出去做直線運動.

筆者選擇了2.8cm×2.8cm×2.8cm的正方體木塊作為滑塊的主體，并在滑塊底部固定一塊不銹鋼墊片，以降低重心，提高滑行的穩定性，最后在滑塊的最下面貼上一層聚四氟乙烯薄膜，以減小摩擦系數，這樣即使在滑塊的初速度較小時，也能明顯地演示出相對滑行的效果.

1.2.2 實時測量滑塊瞬時速度的方法

在傳統的實驗中，通常使用光電門來測量擋光時間，然后用擋光物體的大小除以擋光時間換算出瞬時速度.一個光電門只能測量一個特定的點，這意味著無法精確地追蹤和測量滑塊在整個過程中的速度變化，這也限制了實驗對物體動態運動的捕捉和解析.

市場上有DIS（數字化信息系統）的實驗器材里有靈敏的位移傳感器，但這些傳感器通常需要固定在運動物體上，不適合需要演示物體自由滑動的情況.

鑒于此，筆者選用重復精度為1mm、反應時間為1.5ms的激光測距傳感器BL-400NMW.這款傳感器的測距范圍為20～60cm，能夠全程、零接觸地測量滑塊的位移，將20～60cm距離值轉換為0～5V電壓值，非常方便地提供了更為精確的數據.

筆者將激光測距傳感器固定在離發射輪60cm的正對面處，確保傳感器能夠完整地捕捉到滑塊的運動軌跡.每經過0.02s，傳感器就會采集一次距離數據.這些數據隨后通過特定的算法被轉換為瞬時速度.這種方法不僅提高了實驗的精度和準確性，而且通過實時采集和計算，能夠更全面地了解滑塊在整個運動過程中的速度變化，從而為深入的物理研究提供了有力的數據支持.

由于滑塊的變速過程時間極短，僅看數據無法較快判斷出滑塊的運動性質，筆者設計了在顯示屏上實時顯示滑塊的速度變化的波形，這樣實驗者就能快速直觀地展示出滑塊的運動性質.該實驗屏幕界面如圖2所示.

2 測摩擦力實驗

傳統的測量靜摩擦力實驗中，實驗者需要手持彈簧測力計來拉動物體.用這種方法由于彈簧測力計內部的摩擦以及實驗者的手持不穩定因素，導致讀數不精確，并且難以靈敏地捕捉到靜摩擦力的細微變化.

有人使用了如圖3所示方式來改進這個實驗.雖然這樣解決了穩定性問題，但這種方法拉力的作用對象改變了，實驗原理變復雜了，不利于教師講解與學生理解.麥克斯韋也說過，“一項演示實驗使用的材料越簡單，學生越熟悉，就越想徹底地獲得所驗證的結果，這種實驗的教育價值往往與儀器復雜程度成反比.”

因此筆者想制作一種能按照課本簡單的原理來演示，而又能穩定靈敏地來展示靜摩擦力的變化圖線的實驗儀器.

為了解決上述問題，筆者將拉力傳感器固定在絲桿滑臺上，再將拉力傳感器通過細繩來牽拉物塊，如圖4所示.這樣能真實還原課本的直接拉物塊來測摩擦力的情境.使用時緩慢轉動絲桿滑臺的手輪，使拉力緩慢地增大，并將該力的大小通過傳感器測出在屏幕上顯示其變化波形，細致地反映出靜摩擦力隨著拉力增大而增大，達到最大靜摩擦力后，滑塊開始滑動，變為滑動摩擦力，大小略有減小的變化過程.最后再開動傳送帶，讓傳送帶相對滑塊運動，而滑塊固定不動，演示出滑動摩擦力的大小情況，同時還能讓學生更好地理解判斷靜摩擦力與滑動摩擦力的條件.

3 動能定理實驗

傳統的動能定理實驗是通過橡皮筋彈射小車，用打點計時器測量小車的速度變化，通過改變橡皮筋的條數，實現驗證在做功為W/2W/3W情況下與小車動能變化量的關系.而W具體是多少不能定量測出.因此筆者想開發一種能定量測量做功，簡單便捷驗證做功與動能變化關系的儀器.

筆者用上述傳送帶實驗演示儀改進了該實驗.實驗時先開啟傳送帶，用力傳感器測出滑塊與傳送帶間的滑動摩擦力f，然后用雙輪以某速度發射滑塊，用光電門測出滑塊通過光電門時的瞬時速度v，用激光測距傳感器測出滑塊從光電門滑行至停止的位移x，就可以定量得出物體克服摩擦力做功W=fx的數值，與物體動能變化量的數值對比，就可以定量地驗證動能定理.本實驗的實驗原理簡單易懂、實驗儀器易操作，經測試實驗結果誤差控制在1.5%以內.

4 結語

隨著時代的日新月異和科技的飛速發展以及教育理念的更新，原有的一些實驗器材及其對應的實驗方法已經顯得陳舊落后，無法滿足當代科研與教學的需求.教師應當在教學實踐中動態生成更有效的實驗方案，運用新材料和先進儀器來開發更多的習題情境實驗、改進課本演示實驗及補充更豐富的概念規律突破實驗，提高實驗的精度和可重復性，對實驗數據進行深度分析和挖掘，從而揭示出隱藏在數據背后的規律和趨勢使實驗現象更加直觀和明顯，為學生的研究性學習提供更豐富的探究實驗項目，培養學生的創新思維和實踐能力，讓他們在實驗探究過程中更深入地理解科學原理和方法，推動物理教學的改革與創新.

參考文獻：

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