自制物理教具 丰富学生活动经历

孔兴隆

1自制物理教具，落实学生对“力的作用是相互的”活动经历

1.1演示一对电磁力的作用是相互的实验

如图1所示，将2个磁性极强的钕铁硼磁铁分别固定在2辆相同的小车上，让磁铁同性相对，把两小车放置在水平桌面并摆放在一条直线上。用双手分别拿着2辆小车并用力使两车靠近，然后同时松开双手，可观察到由于电磁斥力作用两车同时向相反的方向运动。调换其中任意1个磁铁的磁极，让两磁铁异性相对，由于电磁引力的作用两车相互靠就。不难得出，一对电磁力间的作用是相互的。

1.2演示一对摩擦力的作用是相互的实验

如图2所示，在平滑的水平桌面上放5～6根相同的空心玻璃管（长约30cm，直径约2cm），使玻璃管并排摊开，每相邻两管间距大致相等（以5cm为宜），管的上方放置1张大小合适的轻质泡沫板（长约40cm，宽约20cm）。准备1辆四轮驱动的玩具小车（内置2节干电池），合上玩具小车的开关，使小车四轮同时转动，轻轻放在已铺好的泡沫板上。观察到玩具小车向前运动，而泡沫板向后飞出。根据这一现象，教师可先让学生讨论原因，再引导学生分析产生这个现象的原因是由于摩擦力的相互作用。由此得出，物体间摩擦力的作用是相互的。

1.3让学生感受或体验力的作用是相互的几个简单实验

教师在课堂教学中让学生亲身感受或体验一些简单的实验，可收到良好的教学效果。如让学生用手掌轻压在桌面上并做前推的动作，然后再用较大的力压在桌面上并使劲地前推，谈谈感受有何不同。再如课前准备2辆滑板车并排放在地面上，邀请2位学生（甲、乙）站在滑板车上当众表演。当甲拉乙时，两车同时向相反的方向运动；当甲推乙时，两车也同时向相反的方向运动，让学生解释理由。这些小实验虽看似简单，当学生有过亲身感受和体验之后，不但有利于学生充分理解和掌握所学知识，还可以调节课堂气氛。

2自制物理教具，落实学生“定量探究作用力与反作用力大小关系的活动经历

2.1演示一对相互作用的电磁力的大小和方向关系

仪器实物照片如图3所示。竖直放置的木支架上，上下固定着在同一直线上的2只圆盘测力计，测力计的相对端，安装着2个磁性极强的钕铁硼磁铁（同磁极相对，形成斥力）。安装好装置后，尽管上下2只秤都受到重力和斥力作用，为了突出实验效果，可先将2只测力计进行调零，再用手分别压两只弹簧秤，可看到秤的指针都发生偏转，让学生明白此时测力计的读数便是手对它的压力。

实验时，松开上面一只测力计后侧的固定螺丝，将两秤距离逐渐靠近，上下两秤受到的压力逐渐增大，指针可显示压力大小。观察发现，实验中两秤的读数总是相等的。

调整其中1个磁铁磁体的极性，把斥力变为引力，也能以同样的方式演示两引力总是相等的现象。还可以把本装置中两秤的竖直放置状态，改成水平放置状态，以同样的方式进行实验。

本实验最突出的优点是相互作用力为非接触力，而且力的大小可随意变化、随时读取，学生更容易理解两力是同时存在的，也更容易观察到力的大小的变化关系，能很好地探索或验证牛顿第三定律中作用力和反作用力总是相等的结论。

2.2演示一对相互作用的摩擦力的大小和方向关系

仪器结构如图4所示。把1辆上表面粗糙的平板小车放置于水平玻璃板上，平板小车的一端通过一个定滑轮，与左侧测力计连接。在平板小车的上面，放一辆可遥控的玩具坦克，坦克的一端通过另一个定滑轮，与右侧测力计连接。

忽略地面对平板小车的摩擦力，在其处于平衡状态时，则左侧弹簧秤的读数等于坦克对平板小车的摩擦力，右侧弹簧秤的读数等于平板小车对坦克的摩擦力。当两者相对静止时（坦克开动后停下），其摩擦力为静摩擦力，当坦克开动到一定距离，其轮子在小车上面打滑时，其摩擦力为滑动摩擦力。

实验时，先合上玩具坦克底部的电源开关，再利用遥控器的进、退按键便可控制玩具坦克的运动。当坦克开动时，平板小车同时向相反的方向后退，表明这一对作用力与反作用力的方向相反。由于玻璃板对平板小车的摩擦力很小，可近似认为平板小车置于非常光滑的水平面上，车轮与轴承的阻力很小，两定滑轮的阻力很小。实验发现，当坦克向前开一点，平板小车则向后退一点，不论坦克在运动过程中或停下来时两弹簧秤的读数总是基本相等（本实验的绝对误差不超过0.1N，相对误差不超过3.5%），从而表明这一对静摩擦力总是大小相等方向相反的。

当坦克一直开着，两者沿相反方向后退到一定程度时，坦克不再前进，轮子在平板小车上打滑。此时两秤的读数显示的是它们之间的滑动摩擦力。还可以在玩具坦克上增加砝码，以改变摩擦力的大小，再进行实验。

3自制物理教具，落实学生对“相互作用力关系”的活动经历

牛顿第三定律所阐明的作用力和反作用力的关系不仅与力的性质无关，也与物体的运动状态和参考系的选择无关。但传统的实验手段一般只能演示静止时作用力和反作用力间的大小、方向关系，却很难研究物体在运动状态下特别是物体做曲线运动时相互作用力的大小、方向关系。采用力传感器演示运动物体间一对相互作用力大小、方向关系可解决上述的难题。力传感器实验系统具有强大的动态作图功能，它能以图像的表达方式呈现相关物理量的动态变化，增进学生对物理规律的理解。

為了更好地发挥传感器的独特优势，提高教学的有效性，教师可按照以下步骤进行演示：先用手对其中一只传感器以不同大小的力做拉、推动作，计算机屏幕上显示出一条连续的、瞬时变化的曲线（见图5曲线a）。再用同样的方法对另一只施加力，可显示另一条曲线（见图5曲线b），让学生初步观察力实验现象并引导学生分析这2条曲线的意义。然后让两传感器的钩子对拉，分别研究不同运动状态下（静止、匀速直线运动、加速运动、减速运动、圆周运动、波形轨迹、一般曲线运动等各种运动状态）两传感器的受力大小方向随时间变化的关系，可得到类似于图5所示的2条曲线。实验表明，无论物体处于何种运动状态，这一对力在任何时刻总是大小相等、方向相反的。通过实验，学生能够从数值上直观感受此结论。

学生体验了足够的活动经历，有利于“见物思理”，获取核心知识和基本技能，提升思维品质和创新能力。教师尽可能地自制物理教具，通过多侧面、多层次的实验帮助学生去纠正错误，丰富学生的活动经历，让学生认识物理规律的全貌。