自制动能探究仪 提升实验教学效能

吴春良

（苏州市吴江盛泽中学，江苏 苏州 215228）

在实际教学过程中，我们往往会通过大量的演示实验来帮助学生理解概念与规律.除了课本上列举的演示实验外，我们还应提倡通过自制教具或改进教具来进行演示，这样不仅改善了实验教学条件，还进一步提升了教与学的探究空间.在《物理新课程标准》中明确指出：“科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式之一.”可见，科学探究过程和方法有多么重要，正确地掌握物理实验的探究方法，有助于揭示要研究的物理现象、物理规律的本质属性和内部规律.下面笔者针对高中物理必修2中“动能、动能定理”一节，阐述如何通过自制教具来提升演示实验效果.

众所周知，动能是由于物体运动而具有的，运动物体可对外做功，质量和速度越大，动能就越大，物体对外做功的能力也越强.所以说动能表征了运动物体做功的一种能力.另外，功是能量转化的量度，我们可以通过做功来实现能量的转化.动能及动能定理是高中物理的一个重点内容，是用能量观点解决问题的重要方法，是高考中必考的内容之一，并且所占的比重非常大，所以在教学过程中我们应有意识地去通过实验来加深学生对概念、规律的理解，充分调动学生的多种感官来探求并接受新的知识.

1 原有实验重现

课本上动能探究实验方法如下：如图1所示，小车在橡皮筋的作用下弹出，沿木板滑行.当用2条、3条……同样的橡皮筋进行第2次、第3次……实验时，每次实验中橡皮筋拉伸的长度都保持一致，那么，第2次、第3次……实验中橡皮筋对小车做的功就是第1次的2倍、3倍……如果把第1次实验时橡皮筋做的功记为W，以后每次做的功就是2W、3W……

由于橡皮筋做功而使小车获得的速度可以由纸带和打点计时器测出，也可以用其他方法测出.这样，进行若干次测量，就得到若干组速度的数据.

图1

以橡皮筋对小车做的功为纵坐标，小车获得的速度为横坐标，以第1次实验时的功W为单位，作出W-v曲线，即功－速度曲线.分析这条曲线，可以得知橡皮筋对小车做的功与小车获得的速度的定量关系.因小车动能的多少可通过橡皮筋给它做功的多少来得到，所以通过以上方法可以得出动能与速度之间的关系.

此方法在定量测量上有它的优势，但也存在一定的不足.（1）动能与质量的关系未能获得，但可通过改变小车的质量来进行弥补；（2）实验用时较长，往往需一课时才能完成；（3）实验误差较大，因小车与木板间，纸带与打点计时器间存在摩擦且较难抵消；（4）实验器材较多，不便携带，灵活性不够，及很难找到完全相同的橡皮筋等，在只需定性了解动能与质量、速度间关系时体现不出优势.

2 自制仪器呈现

如何快速并较准确地探知动能与质量、速度的关系，让它成为课堂上的一个重要探究点，笔者利用实验室零散器材组装了一个动能探究仪（如图2、3所示），在课堂教学过程中成为一个亮点，取得了较好的效果.

材料：可调水平的底座、双杆支架、长方体物块、可定位指针、钢球、塑料球、示教量角器、线等.

制作：如图3所示，将示教量角器倒立固定于双杆支架，长方体物块做成四线摆形式，钢球和塑料球均采用双线摆形式.

图2

图3

注意点：底座应具有调水平功能，以便在不同实验地点进行水平调节.双杆支架可有效固定量角器和上端悬挂平台，稳定性好，优于单杆支架.物块端面应平整，采用四线摆形式，四线上端有可调高度螺母，可随时调节物块状态，确保有效碰撞并能平稳摆动.钢球和塑料球均采用双线摆形式，使其摆动在一个平面内，并使二球球心位置与物块端面中心点位置对应.指针必须具有定位能力，可在转轴中加弹簧，调节螺丝至松紧适度即可，太松会导致不能定位，太紧则会影响转动.

原理及方法：利用物体具有能量的特征是能对外做功，且功是能量转化的量度，所以想要知道物体动能的大小可通过它对外做功情况来判定.利用转换思想结合控制变量法进行实验.

步骤：先保持质量不变，即用同一个球（如钢球）从不同摆角处下摆至最低点与物块碰撞，观察物块的摆动幅度，摆动幅度可由定位指针显示出来.结论：小球摆角越大，则被撞物块摆动幅度越大，说明小球对它做功越多.进一步说明小球摆至最低点时动能越大，即在质量相同的情况下，速度越大，动能越大.

再保持摆角相同的情况下，确保摆至最低点时速度相同，用不同的摆球（钢球和塑料球）分别去撞击物块，观察物块被撞后的摆动幅度.结论：钢球（即质量大的球）撞击后物块摆动幅度明显大于塑料球撞击后物块的摆动幅度.进一步说明了钢球摆至最低时的动能大，即在速度相同的情况下，质量越大，动能越大.

结论：运动物体的动能大小与物体的质量和速度有关，质量相同时，物体运动速度越大，动能越大；速度相同时，物体质量越大，动能越大.

优点：（1）灵活性高.所有器材安装在同一基座上，整体性好，携带方便；（2）操作方便.每位学生均能操作，无须过多指导；（3）成功率高.在调整好基座的前提下正确操作，成功率接近100%；（4）可视性强.现象明显，通过可定位指针的摆角大小可直观地比较出动能的大小；（5）实验用时短，可反复进行，无耗材等.当然不足之处也是存在的，如用于定性讨论效果好，若用于定量研究则误差较大（通过摆角可计算速度）.

拓展：（1）动量守恒演示.只需去掉物块，改为摆球间的碰撞即可演示动量守恒实验，双线摆保证了摆球的对心碰撞，可定位指针可直观地反映出摆球的摆动幅度（即速度大小），对相同小球间的速度交换实验，效果尤为明显；（2）探究单摆周期的影响因素实验.可通过控制变量法来进行，可比较同摆长时不同质量摆球（钢球、塑料球等）的摆动周期，也可比较同一摆球在摆动幅度不同时的周期关系，还可在摆球（用钢球）下方放置磁体来等效改变场力来比较周期的变化等.

3 其他方法介绍

通过实验探究动能影响因素的方法还有很多，下面再列举一种有较好效果且已被一部分教师采用过的方法.

图4

如图4所示，让小球从光滑的导轨上滚下，获得一定的速度，再与静止的木块相碰，推动木块做功，从木块移动的距离来得出小球动能的大小，较果也较好.

第1种情况：让同一小球从不同的高度滚下，可以看到，高度大时小球把木块推得远，对木块做的功多.说明高度越大，滚到底端时速度越大，在质量相同的情况下，速度越大，对外做功的本领越强，说明物体由于运动而具有的能量越多.

第2种情况：让质量不同的小球从同一高度滚下，可以看到，质量大的小球把木块推得远，对木块做的功多.说明相同的高度滚下，具有的末速度是相同的，之所以对外做功的本领不同，是因为小球的质量不同，在速度相同的情况下，质量越大，对外做功的能力越强，也就是说物体由于运动而具有的能量越多.

从而可以得出结论：物体的动能与质量及运动速度有关，质量越大，运动速度越大，则物体的动能越大.

此实验的不足之处：小球及木块的运动方向较难控制，碰撞往往不发生在端面中心，导致木块运动方向偏离.误差很大.

物理实验是物理教学的一个重要组成部分，它既是物理教学的重要基础，又是物理教学的重要内容，我们应充分重视实验教学.通过实验，让学生初步掌握一些常用的实验技能、技巧，同时培养学生实事求是、严肃认真的科学态度和科学方法，这同时也是培养学生科学素质和提高物理教学质量的重要环节.物理教师应摒弃让学生只限于接受公式规律和机械运算的教学，而应尊重物理学科的特点，从学科本身出发，重视物理学的学科体系和教学的逻辑结构，注重知识传授同时重视过程教学，真正体现物理学科的科学价值.