“运动的合成与分解”创新实验设计

列晓东 梁淑媚

(广州市第十六中学 广东 广州 510080) (广州市真光中学 广东 广州 510380)

“运动的合成与分解”在高中物理中占有重要的地位,它处于学生对运动的分析从直线运动到曲线运动、从简单运动到复杂运动的关键位置上，而这个内容较为抽象，学生难以理解，仅靠教材上编排的一个实验[1](红蜡块的运动) 难以突破难点.因此，文中针对本节课的教学过程， 设计了相应的创新演示实验及教学建议，力求提高教学效果.

1 区分合运动和分运动并理解二者之间具有等时性

1.1 实验设计

如图1所示，在木制展板上方安装一个抽屉滑轨，并在上面固定一个滑块；绳子1的一端绑着小球A，另一端经过定滑轮后固定在滑块铁钉上；绳子2绑着小球B,挂在滑块铁钉下方；绳子3的一端绑着小球C，另一端绕过滑块上的铁钉后固定在展板上；3个小球在空间上前后摆放，相互错开.演示前，把滑块移到展板左端，调整绳子的长度，使3个小球处在同一水平高度上.这样，当滑块水平向右匀速运动时，小球A竖直向上匀速运动，小球B水平向右匀速运动.由于A，C两球在竖直方向上速度相等，而B，C两球有相同的水平速度，故球A的运动速度能代表球C在竖直方向上的分速度，球B的速度能代表球C在水平方向上的分速度.

图1 演示合运动和分运动之间具有等时性

1.2 教学建议

教师先单独挂上小球A,B和C，使滑块向右匀速运动，让学生观察小球的运动情况，引导学生思考3个小球的运动有什么关系.接着同时挂上3个小球，滑动滑块，使3个小球同时运动.显然，小球C的运动效果与小球A,B运动效果之和相同，从而教师给出合运动及分运动的定义，进而引导学生思考这3个小球在运动的时间上有什么关系.推导出合运动和分运动之间具有等时性.

2 演示两个分运动之间具有独立性

2.1 实验设计

如图2所示，在实验1展板背面贴上坐标纸，画上起点线和终点线；再在滑块上安装一个带滚轮的电动机；绳子的一端绑上一个小球，另一端缠绕在电动机的滚轮上.电动机转动时，带动小球以恒定速度上升.

图2 演示两个分运动之间具有独立性

2.2 教学建议

教师在开启电动机的同时，匀速推动滑块，并让学生记录不同水平速度下小球从起点线上升到终点线所用的时间.通过比较，学生不难发现，水平方向运动速度的大小并不影响小球到达终点线所用的时间，即水平方向的运动与竖直方向的运动互不影响，从而理解两个分运动之间具有独立性.

3 演示运动的合成与分解符合平行四边形定则

3.1 实验设计

如图3所示，将一对抽屉滑轨用一个调角旋钮衔接起来，组成一个可调角度的“L型支架”，其中调角旋钮是从自行车撑伞架可转动部分拆卸下来的；在滑轨的表面粘上传动皮带，并分别在两个滑轨的起始端固定两个带有齿轮的力矩比较大的直流电动机，借助直流电机控制滑轨的伸缩；在竖直方向的滑轨上安装一个金属架，用于固定白板笔；滑轨的下方安装一个滚轮，用于支撑“L型支架”；最后在绘图区固定一块有机玻璃板，用于记录白板笔的运动轨迹.图示中的U1，U2分别代表两台学生电源的输出电压，用一个双刀单掷开关S同时控制电动机的开断.这样，两个直流电动机可控制白板笔做水平和竖直方向的运动.通过调节调角旋钮改变分运动的夹角，调节学生电源的输出电压改变分运动的速度大小，即可让白板笔在有机玻璃板上画出不同的合运动轨迹.另外，在演示前使滑轨处于伸展状态，演示时使滑轨收缩，有助于减小直流电动机所受到的阻力.

图3 演示运动的合成与分解符合平行四边形定则

3.2 教学建议

首先，调整出合适的夹角，在起点位置标记O点；其次，先使直流电动机A，B的供电电压分别为零和U1，闭合开关，使竖直方向的滑轨独立运动，利用机械停表计时，经过时间Δt后断开开关，白板笔记录该方向的运动轨迹；然后使白板笔回到O点，将直流电动机A，B的供电电压改为U2和零，闭合开关，使水平方向的滑轨独立运动相同的时间Δt；最后将直流电动机A，B的供电电压改为U2，U1，闭合开关，使两条滑轨同时运动相同的时间Δt，此时白板笔画出合运动轨迹.最后用红色笔作辅助线，学生可以观察到合运动和分运动符合平行四边形定则.改变分运动的夹角，可演示分运动分别为锐角、直角、钝角时的合成情况.

图4展示了当分运动夹角为钝角时，白板笔所留下的轨迹情况.白板笔墨迹清晰，教师可根据课堂需要，让学生量出相应线段的长度或夹角，通过数学方法验证其符合平行四边形定则.

图4 演示运动的合成与分解符合平行四边形定则

4 拓展演示“小船渡河”情景

4.1 实验设计

同样采用实验3的装置，在白板笔上粘贴一条纸船，并在有机玻璃板上画两条平行线表示河岸.两滑轨的运动分别代表纸船在静水中的运动及水流的运动.通过设定两个直流电动机的输入电压来调整“水速”和“船速”的大小，调节调角旋钮以改变两个分速度的夹角，闭合开关，让两滑轨同时运动，便可模拟出“小船渡河”情景.

4.2 教学建议

教师在演示前，设定好“水速”和“船速”的大小.演示时，先单独启动其中一个直流电动机，让学生观察水速和静水中船速的大小，将纸船复位到O点后同时启动两个直流电动机，观察纸船的合运动轨迹.通过调节调角旋钮改变“船头”的朝向，展示纸船不同的渡河情况，引导学生分析，从而帮助学生熟练地运用平行四边形定则.同时，利用形象的生活情境帮助学生进一步理解合运动与分运动的关系.图5展示了当“船速”大于“水速”时，两者夹角为锐角、直角和钝角时的合运动轨迹.

图5 “小船渡河”情景

另外，实验3的装置还可以演示物体做曲线运动情况.将一个滑动变阻器与直流电动机B串联，再连接到学生电源上，用于小幅度调节直流电动机两端的输入电压，从而使白板笔在竖直方向做变速运动，而在水平方向保持匀速运动.教师通过引导学生比较物体分别做直线运动和曲线运动时分运动的特点，激发学生思考物体在什么情况下做曲线运动.从而为学习“物体做曲线运动的条件”、“平抛运动”埋下伏笔.

参考文献

1 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书物理·必修2.北京：人民教育出版社，2010