江瑩

【摘要】針對(duì)高中物理傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在的一些不足之處，包括傳送帶問(wèn)題在教學(xué)中缺乏實(shí)驗(yàn)演示、現(xiàn)有測(cè)靜摩擦力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)復(fù)雜不利于學(xué)生理解，以及驗(yàn)證動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)無(wú)法定量測(cè)量做功數(shù)值的問(wèn)題，利用傳送帶結(jié)合傳感器、絲桿滑臺(tái)和示波屏幕制作出新型教具，演示三個(gè)實(shí)驗(yàn)：傳送帶—滑塊實(shí)驗(yàn)、測(cè)摩擦力實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型教具效果明顯，可以提高教師課堂演示實(shí)驗(yàn)的效率，并為學(xué)生提供更豐富的探究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有助于優(yōu)化物理新課教學(xué)和習(xí)題研究的教學(xué)設(shè)計(jì)和方法.

【關(guān)鍵詞】高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；自制教具

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》凝練了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位和作用.然而，鑒于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，教師應(yīng)當(dāng)在教學(xué)實(shí)踐中動(dòng)態(tài)生成更高效的實(shí)驗(yàn)方案，自制更符合本校學(xué)生學(xué)情的教具，優(yōu)化與提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量.筆者根據(jù)本校學(xué)生的情況，研制了一套多功能傳送帶實(shí)驗(yàn)演示儀，可以演示三個(gè)實(shí)驗(yàn)：傳送帶—滑塊實(shí)驗(yàn)、測(cè)摩擦力實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)，在習(xí)題情境實(shí)驗(yàn)、課本演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、概念規(guī)律突破補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)這幾個(gè)方面做出了嘗試，實(shí)驗(yàn)效果明顯，有助于教師開展實(shí)驗(yàn)化習(xí)題教學(xué)和演示實(shí)驗(yàn)及為學(xué)生進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)研究提供更便捷的實(shí)驗(yàn)器材，有助于優(yōu)化物理新課教學(xué)和習(xí)題研究的教學(xué)設(shè)計(jì)和方法.

1 傳送帶—滑塊實(shí)驗(yàn)

1.1 問(wèn)題的提出

高中物理必修一的運(yùn)動(dòng)學(xué)課程里，有一類傳送帶運(yùn)送滑塊的經(jīng)典習(xí)題，也是高考備考的熱點(diǎn)習(xí)題.該類型習(xí)題涉及復(fù)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(yùn)行方向相同或相反，滑塊滑上傳送帶后，運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài).滑塊的初速度與傳送帶的運(yùn)行速度的不同組合導(dǎo)致滑塊的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)復(fù)雜多樣.要解決這類問(wèn)題，需要深入分析，除了要熟練掌握物理規(guī)律，還要在頭腦中構(gòu)建一個(gè)清晰的動(dòng)態(tài)情境圖形，要詳細(xì)地描繪出滑塊在傳送帶上的每一個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，包括初速度、傳送帶的速度、摩擦力、加速度等參數(shù)如何影響滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡.

然而，由于缺乏生活經(jīng)驗(yàn)，許多學(xué)生可能從未見過(guò)傳送帶，或者只見過(guò)貨物與傳送帶以相同速度運(yùn)動(dòng)的情況.這導(dǎo)致他們?cè)诜治龃祟悊?wèn)題時(shí)，往往會(huì)分析不全面，條理不清晰.而目前市場(chǎng)上并沒(méi)有任何相應(yīng)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(yǔ)言描述或者用模擬動(dòng)畫來(lái)講解，學(xué)生也無(wú)法通過(guò)親自動(dòng)手操作、實(shí)驗(yàn)探究來(lái)理解和掌握這一復(fù)雜的物理現(xiàn)象.

為了解決該難題，筆者研制了傳送帶—滑塊實(shí)驗(yàn)演示儀，如圖1所示.該演示儀能真實(shí)地演示出傳送帶傳送滑塊模型時(shí)的各種情境，教師授課時(shí)可以進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，也可以讓學(xué)生進(jìn)行動(dòng)手探究式學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高課堂教學(xué)效果.

1.2 傳送帶—滑塊演示實(shí)驗(yàn)的制作

1.2.1 滑塊與發(fā)射裝置的制作

筆者參考發(fā)球機(jī)的原理，設(shè)計(jì)了用雙輪發(fā)射滑塊的裝置，為了保證兩輪的轉(zhuǎn)速一致，采用單馬達(dá)通過(guò)齒輪傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)雙輪，防止因?yàn)殡p輪速度不同導(dǎo)致滑塊發(fā)生旋轉(zhuǎn)而偏離直線軌跡，操作者通過(guò)PWM調(diào)速器給發(fā)射馬達(dá)調(diào)速，自由設(shè)置滑塊的初速度，從而將滑塊精準(zhǔn)地發(fā)射出去做直線運(yùn)動(dòng).

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(wěn)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(shù)，這樣即使在滑塊的初速度較小時(shí)，也能明顯地演示出相對(duì)滑行的效果.

1.2.2 實(shí)時(shí)測(cè)量滑塊瞬時(shí)速度的方法

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，通常使用光電門來(lái)測(cè)量擋光時(shí)間，然后用擋光物體的大小除以擋光時(shí)間換算出瞬時(shí)速度.一個(gè)光電門只能測(cè)量一個(gè)特定的點(diǎn)，這意味著無(wú)法精確地追蹤和測(cè)量滑塊在整個(gè)過(guò)程中的速度變化，這也限制了實(shí)驗(yàn)對(duì)物體動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的捕捉和解析.

市場(chǎng)上有DIS（數(shù)字化信息系統(tǒng)）的實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)物體上，不適合需要演示物體自由滑動(dòng)的情況.

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

筆者將激光測(cè)距傳感器固定在離發(fā)射輪60cm的正對(duì)面處，確保傳感器能夠完整地捕捉到滑塊的運(yùn)動(dòng)軌跡.每經(jīng)過(guò)0.02s，傳感器就會(huì)采集一次距離數(shù)據(jù).這些數(shù)據(jù)隨后通過(guò)特定的算法被轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)速度.這種方法不僅提高了實(shí)驗(yàn)的精度和準(zhǔn)確性，而且通過(guò)實(shí)時(shí)采集和計(jì)算，能夠更全面地了解滑塊在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度變化，從而為深入的物理研究提供了有力的數(shù)據(jù)支持.

由于滑塊的變速過(guò)程時(shí)間極短，僅看數(shù)據(jù)無(wú)法較快判斷出滑塊的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，筆者設(shè)計(jì)了在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示滑塊的速度變化的波形，這樣實(shí)驗(yàn)者就能快速直觀地展示出滑塊的運(yùn)動(dòng)性質(zhì).該實(shí)驗(yàn)屏幕界面如圖2所示.

2 測(cè)摩擦力實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)的測(cè)量靜摩擦力實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者需要手持彈簧測(cè)力計(jì)來(lái)拉動(dòng)物體.用這種方法由于彈簧測(cè)力計(jì)內(nèi)部的摩擦以及實(shí)驗(yàn)者的手持不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致讀數(shù)不精確，并且難以靈敏地捕捉到靜摩擦力的細(xì)微變化.

有人使用了如圖3所示方式來(lái)改進(jìn)這個(gè)實(shí)驗(yàn).雖然這樣解決了穩(wěn)定性問(wèn)題，但這種方法拉力的作用對(duì)象改變了，實(shí)驗(yàn)原理變復(fù)雜了，不利于教師講解與學(xué)生理解.麥克斯韋也說(shuō)過(guò)，“一項(xiàng)演示實(shí)驗(yàn)使用的材料越簡(jiǎn)單，學(xué)生越熟悉，就越想徹底地獲得所驗(yàn)證的結(jié)果，這種實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值往往與儀器復(fù)雜程度成反比.”

因此筆者想制作一種能按照課本簡(jiǎn)單的原理來(lái)演示，而又能穩(wěn)定靈敏地來(lái)展示靜摩擦力的變化圖線的實(shí)驗(yàn)儀器.

為了解決上述問(wèn)題，筆者將拉力傳感器固定在絲桿滑臺(tái)上，再將拉力傳感器通過(guò)細(xì)繩來(lái)牽拉物塊，如圖4所示.這樣能真實(shí)還原課本的直接拉物塊來(lái)測(cè)摩擦力的情境.使用時(shí)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)絲桿滑臺(tái)的手輪，使拉力緩慢地增大，并將該力的大小通過(guò)傳感器測(cè)出在屏幕上顯示其變化波形，細(xì)致地反映出靜摩擦力隨著拉力增大而增大，達(dá)到最大靜摩擦力后，滑塊開始滑動(dòng)，變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力，大小略有減小的變化過(guò)程.最后再開動(dòng)傳送帶，讓傳送帶相對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)，而滑塊固定不動(dòng)，演示出滑動(dòng)摩擦力的大小情況，同時(shí)還能讓學(xué)生更好地理解判斷靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的條件.

3 動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)的動(dòng)能定理實(shí)驗(yàn)是通過(guò)橡皮筋彈射小車，用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量小車的速度變化，通過(guò)改變橡皮筋的條數(shù)，實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證在做功為W/2W/3W情況下與小車動(dòng)能變化量的關(guān)系.而W具體是多少不能定量測(cè)出.因此筆者想開發(fā)一種能定量測(cè)量做功，簡(jiǎn)單便捷驗(yàn)證做功與動(dòng)能變化關(guān)系的儀器.

筆者用上述傳送帶實(shí)驗(yàn)演示儀改進(jìn)了該實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)時(shí)先開啟傳送帶，用力傳感器測(cè)出滑塊與傳送帶間的滑動(dòng)摩擦力f，然后用雙輪以某速度發(fā)射滑塊，用光電門測(cè)出滑塊通過(guò)光電門時(shí)的瞬時(shí)速度v，用激光測(cè)距傳感器測(cè)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(shù)值，與物體動(dòng)能變化量的數(shù)值對(duì)比，就可以定量地驗(yàn)證動(dòng)能定理.本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單易懂、實(shí)驗(yàn)儀器易操作，經(jīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差控制在1.5%以內(nèi).

4 結(jié)語(yǔ)

隨著時(shí)代的日新月異和科技的飛速發(fā)展以及教育理念的更新，原有的一些實(shí)驗(yàn)器材及其對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法已經(jīng)顯得陳舊落后，無(wú)法滿足當(dāng)代科研與教學(xué)的需求.教師應(yīng)當(dāng)在教學(xué)實(shí)踐中動(dòng)態(tài)生成更有效的實(shí)驗(yàn)方案，運(yùn)用新材料和先進(jìn)儀器來(lái)開發(fā)更多的習(xí)題情境實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)課本演示實(shí)驗(yàn)及補(bǔ)充更豐富的概念規(guī)律突破實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)的精度和可重復(fù)性，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和挖掘，從而揭示出隱藏在數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和趨勢(shì)使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加直觀和明顯，為學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)提供更豐富的探究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，讓他們?cè)趯?shí)驗(yàn)探究過(guò)程中更深入地理解科學(xué)原理和方法，推動(dòng)物理教學(xué)的改革與創(chuàng)新.

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