“汽车过桥”实验教具的制作与应用

(江苏省南京市第十三中学,江苏 南京 210008)

人教版高中物理必修2第五章第7节“生活中的圆周运动”中有汽车过桥的场景,如图1所示，汽车以一定速度通过拱形桥时,汽车对桥面的压力小于自身重力,速度越大对桥面的压力越小;汽车以一定速度通过凹形桥时,汽车对桥面的压力大于自身重力,速度越大对桥面的压力越大。

图1

此实验是本节课的重点,也是本章节不可或缺的一个演示实验,课程标准中提出学生要能定量分析汽车通过拱形桥最高点和凹形桥最低点的压力问题。该实验源于生活中的场景,在以往的课堂教学中,通常都是老师展示汽车过拱形、凹形桥的图片,学生分析小车的受力情况,从理论上计算汽车对桥面的压力与自身重力的关系。或是通过凹凸桥实验演示仪,观察小球通过拱形最高点时两根铁丝之间的距离变化来判定压力的变化,以上教学效果均不理想,其原因主要有以下几点:

(1) 汽车过拱形桥、凹形桥源于生活场景,但在日常生活中并不能看到桥面的压力变化;

(2) 运用讲授法学习进行教学，学生对小车进行受力分析,仅停留在抽象的理论层面；

(3) 把凹凸桥演示仪应用于教学中,小球通过拱形桥最高点和凹形桥最低点时两根铁丝间的间距变化不明显。

基于以上原因,笔者自制了实验教具,实验效果很好。

1 实验方案设计

实验要能直观地看到汽车过拱形桥、凹形桥对桥面的压力与重力的关系,但汽车对桥面的压力不太容易测量,运用相互作用力的知识,测量汽车对桥面的压力可以转换为测量桥面对小车的支持力。实验室中测力的仪器有弹簧测力计和力传感器,但在本实验中这两种测力原件都不适合测量桥面对小车的支持力,这一问题可以通过电子秤来解决。电子秤的精度非常高,能够精确到0.001kg,根据测出物体的质量,需要设置电子秤中的单价为9.8元/kg,总价格即为力的大小,从而解决了测量汽车对桥面的压力问题。实验中让小车从斜面的不同高度由静止释放,高度不同，小车通过桥面的速度就不同,高度越高,汽车通过桥面的速度越大,解决了汽车需以不同速度通过桥面的问题。

2 实验器材与教具制作

实验器材为：小车、电子秤、铝板、PVC发泡板等。

教具的制作步骤为：

(1) 用PVC发泡板制作一个带有平台的斜面(小车从斜面释放能够获得水平速度)以及另一水平平台,具体尺寸如图2所示;

图2

(2) 裁剪铝板,长度为38cm,宽度为25cm,两端用力向内弯曲,制作拱桥模型;用PVC板分别制作拱形桥和凹形桥的底托(如图3)。

图3

3 实验过程及分析

3.1 汽车通过拱形桥

(1) 将带有斜面的平台、电子秤、底托、拱形桥依次放好,调节拱形桥的高度与两平台等高;

(2) 使用电子秤的“去皮”功能,消除拱形桥的重力对实验结果的影响;

(3) 如图4所示,小车静止在桥面的最高点,设置单价为9.80元/kg,电子秤的总价格即为小车对桥面的压力,记录静止时对桥面的压力为1.67N;

图4

(4) 如图5所示,小车分别从斜面的不同高度由静止释放，通过拱形桥,在表1中记录小车释放的高度、通过拱形桥最高点时对桥面的压力，并绘制桥面压力随小车释放高度变化关系图(如图6)。

图5

图6

高度/m0.260.280.300.32压力大小/N1.561.511.471.38

实验结论:汽车以一定速度通过拱形桥时对桥面的压力小于自身的重力,速度越大对桥面的压力越小。

3.2 汽车通过凹形桥

(1) 将制作的拱形桥上下面翻转,换用凹形桥底托,即可将拱形桥变为凹形桥,调节凹形桥两端与平台等高;

(2) 使用电子秤的“去皮”功能,消除凹形桥的重力对实验结果的影响;

(3) 如图7所示,小车静止在桥面的最低点,记录静止时对桥面的压力为1.67N;

图7

(4) 如图8所示,小车分别从斜面的不同高度由静止释放,在表2中记录小车释放的高度、通过拱形桥最低点时对桥面的压力，并绘制桥面压力随小车释放高度变化的关系图(如图9)。

图8

图9

高度/m0.240.260.280.30压力大小/N1.962.062.152.25

实验结论:汽车以一定速度通过凹形桥时对桥面的压力大于自身的重力,速度越大对桥面的压力越大。

4 结语

通过巧妙设计拱形桥和凹形桥模型的实验教具,现场模拟汽车过桥情境,填补了生活中的圆周运动在教学中的实验空白,老师无需通过图片进行理论讲解,学生也无需仅凭生活情境抽象记忆。通过该实验,学生可以清晰地观察到汽车通过拱形桥、凹形桥时对桥面的压力与汽车自身重力的关系,以及汽车通过桥面的速度与汽车对桥面的压力之间的关系。现场实验演示直观、真实,对于定量分析汽车通过拱桥最高点和凹形桥最低点的压力问题有很大的帮助,能够很好地解释为何生活中大多数桥都是拱形桥,以及汽车在通过拱形桥时为何需要减速慢行等常见问题,同时可以对学生进行相关安全知识教育,达到寓教于乐、学以致用的目的。

实验教学是物理课程学习中一个十分重要的环节,精巧的实验教具设计可以将抽象的生活情景进行现场重现,将复杂的物理知识转变为简单的趣味画面,不仅能够增强学生学习的兴趣,还能够让学生体会到物理源于生活,拉近物理和生活之间的关系。