吳洪華 張勤云

(姜堰市三水學(xué)校 江蘇 泰州 225500)

在進(jìn)行“動能 勢能 機(jī)械能”(蘇科版九年級上第十二章第一節(jié))的教學(xué)時，常常因為要攜帶多組器材而頗感不便，而且即使做實驗，也只能是教師演示，學(xué)生看，學(xué)生能不能參與其中，教師往往無暇顧及.筆者在經(jīng)歷了反復(fù)地實踐、否定、再實踐、再改進(jìn)的過程后，初步制作完成了一套教具(簡稱演示器),既能方便學(xué)生參與，又能“一物多用”,在教學(xué)中取得了很好的效果.

1 演示器的主要部件

演示器主要部件的組成如圖1所示.

①軌道(用長約1 m，直徑25 mm的PVC管彎折而成，兩段間的夾角在130°～150°之間)，②槽口及刻度(兩段直管部分都有)，③長約7 cm，直徑20 mm的軟壓簧，④鋼球，⑤玻璃球(與鋼球直徑相等)，⑥柱體(選用舊繼電器的塑料殼)，⑦海綿，⑧鐵夾.

圖1 自制的動能和勢能演示器

2 零件的選材與加工

2.1 小球

受“伽利略理想實驗” (蘇科版八年級第97頁信息庫)的啟發(fā)，在演示器中用小球替代教材中探究動能、重力勢能實驗中“能做功的物體”即小車和砝碼.在探究彈性勢能時小球還能用作“被壓縮的彈簧做功”的對象.

2.2 軌道

因為把小球放到木板斜面上并讓其自由滾下時，小球的路線不一定成直線，給木板開槽固然可以解決問題，但又不便用于研究重力勢能和彈性勢能，而且木板的加工也不易處理.針對以上問題，我們采用PVC管，做小球運(yùn)動的軌道.因為它不僅可以方便地控制小球運(yùn)動的路線，而且有“可塑性”，容易彎折成斜管代替“研究動能大小”時所用的斜面.

由于PVC管道不透明，小球運(yùn)動的情形不可見.筆者將管道一側(cè)開槽，由此小球運(yùn)動情形便可一目了然.并且在管道彎折部位留10 cm左右的長度不開槽，從而克服了由槽口截面失去支撐而致使軌道容易扭曲變形的問題.這樣不僅易于加工，而且效果理想.

因為用電鋸切割的槽口毛糙，學(xué)生在實驗時容易被刮傷，所以需先用美工刀切削毛糙的槽口，再用粗細(xì)不同的銼刀細(xì)心打磨槽口至其光滑圓潤.

考慮到活動中要比較被撞擊物體移動距離的長短，若操作時直接在槽口相應(yīng)位置做標(biāo)記，對下一組的學(xué)生實驗會造成干擾，使得器材不能反復(fù)使用.因此，采用一種膠著性很強(qiáng)的即時貼打印成刻度條直接粘貼到管上，作為刻度，方便學(xué)生比較，效果非常理想.

2.3 軟壓簧

如何用軌道探究彈性勢能呢？我們首先想到用橡皮筋，因為它柔軟且價錢便宜.在管子較長一端管口適當(dāng)位置用燒紅的大頭針縱向刺穿以固定橡皮筋(圖2)，把橡皮筋向外拉伸可彈走小球，但因為大頭針的阻擋，橡皮筋不能如愿擊中管內(nèi)的小球，而且橡皮筋質(zhì)量的好壞也影響實驗效果.另外，處理不當(dāng)?shù)拇箢^針針尖還會劃破手指.

圖2

自然地想到彈簧，因為在管內(nèi)拉伸彈簧的操作不方便，所以在比較后改用壓簧.選用合適的壓簧，不合規(guī)格的可以進(jìn)行加工，最終，彈性勢能的載體就定了下來.

2.4 柱體

在研究動能大小時，我們起初選擇5號電池作為“展示能量大小”的對象，發(fā)覺它被玻璃球和鋼球撞擊的效果非常理想，可因為直徑太小，不能用作“轉(zhuǎn)換重力勢能的載體”，試圖用膠帶紙纏繞以加粗，但手工無法繞得均勻，效果不盡如人意.在試驗用廢棄繼電器、海綿效果不理想后，最終找到解決辦法，將海綿不完全地塞入繼電器空殼，使海綿露出端膨起，幫助繼電器殼與軌道內(nèi)壁間形成適當(dāng)摩擦，多次嘗試后，能保證在各個活動中做出較好的效果.

2.5 鐵夾

考慮到在活動中軌道不穩(wěn)定，需用手扶住操作，于是準(zhǔn)備為軌道做個支架，用鐵絲試著做了幾個，但因形態(tài)各異，不大美觀而放棄.最終采用家用的口徑較大、柄也較長的鐵夾，如圖1.它在研究動能時起到很好地穩(wěn)定器材的作用.

3 使用方法說明

3.1 用于研究彈性勢能

把柱體和軟壓簧順次從彎管較長一端放進(jìn)管中，并將長管一端朝下豎直壓在桌面上，如圖3.用大小不同的力向下按壓柱體，使彈簧縮短，松手時柱體向上彈出，借助槽口的刻度觀察比較柱體被彈起的距離，判斷“彈性勢能的大小與物體彈性形變的大小有關(guān)”.

圖3 圖4

3.2 用于研究重力勢能

將彎管較短一端朝下，把小海綿塊不完全地塞入一端封閉的塑管，將露出海綿的一端(借以控制柱體與軌道間的摩擦)朝下(圖4)從彎管上端開口處放入管中恰當(dāng)位置.先用不同質(zhì)量的小球從同一位置自由落下撞擊管中的柱體，觀察比較置于同一位置的柱體被撞擊移動的距離.再用質(zhì)量相同的小球從不同高度自由落下，撞擊管中的柱體，觀察比較置于同一位置的柱體被撞擊移動的距離，判斷重力勢能大小與物體質(zhì)量和被舉起高度間的關(guān)系.

3.3 用于研究動能

用鐵夾夾住彎管較短端的適當(dāng)位置作為支架，使管子較長一端能平放在水平桌面上，將塞有海綿的空心管封閉端朝向彎折處放入較長管一側(cè)靠近起始開槽處(“0”位置，圖5).先后用質(zhì)量不同的小球從傾斜管的同一位置(同一刻度處)自由滾下，撞擊水平管中的柱體，記錄比較柱體被撞出的距離長短；再用質(zhì)量相同的小球，從傾斜管中不同位置自由滾下，撞擊置于“0”位置的柱體，記錄比較柱體被撞出的距離長短，判斷比較運(yùn)動物體動能大小與物體運(yùn)動速度及質(zhì)量之間的關(guān)系.

3.4 用于研究機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化

將彎管呈“V”狀置于桌面上，從較短一端將鋼球放入管中(圖6)，觀察鋼球在管中運(yùn)動過程中速度、高度的變化，判斷動能和重力勢能之間的轉(zhuǎn)化.

圖6

將鋼球、彈簧依次從較長端放入管中并將管子較長端直立，用筆將小球抬起到某一高度，再讓小球自由落下撞擊彈簧，在彈簧的形變和小球的反復(fù)升降中分析重力勢能、動能和彈性勢能之間的相互轉(zhuǎn)化(參照圖3，用鋼球代替柱體).

3.5 其他用途

如果將軌道截成兩段并用小段軟管(如小段空調(diào)外機(jī)的出水管)連接成角度可調(diào)的彎管還可用來模擬探究“牛頓第一定律實驗”.

4 器材特點及使用效果

4.1 器材特點

(1)造價低廉

按本地市場價計：10根長3 m,直徑25 mm的PVC管共60.00元，將1根分成3段1 m長的30根PVC管折彎、開槽的加工費(fèi)60.00元，這樣每根軌道價值4.00元；鋼球1.00元/只；玻璃球0.1元/只；長約30 cm,直徑20 mm的軟壓簧1根，零售價為5.00元，將它等分為4段后只相當(dāng)于1.25元/根；廢繼電器塑管和廢舊海綿小塊則是廢物利用的.由于是自己制作的，無需加工費(fèi).這樣算來每套器材需要的成本大約7.00元.

(2) 操作安全

設(shè)計和制作時注意規(guī)避了可能對學(xué)生帶來的傷害.

(3)一物多用

能同時滿足動能、勢能及機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)化等探究活動的需要.

4.2 使用效果

器材的零件選定，使用方法也基本確定時，適逢泰州市教育品牌欄目“星光大舞臺”要在全市選拔兩名代表，展示我市初中物理實施新課改的成果.我校以此器材為展示主體設(shè)計了一節(jié)課，配以精心制作的多媒體課件參加了角逐，結(jié)果因為器材一物多用的創(chuàng)意和學(xué)生良好的參與性征服了所有評委，毫無爭議地奪取了難得的一個到泰州星光大舞臺展示自我、展示學(xué)校形象的機(jī)會.一個小小的肯定，我們一個多月來利用業(yè)余時間摸索、加工、改進(jìn)教具所付出的辛勞都有了價值.