自制功率与牵引力和速度的关系演示仪

黎明

(余姚市梦麟中学 浙江 宁波 315400)

1 设计背景

2 实验装置和原理

功率与牵引力、速度的关系演示仪结构如图1所示，仪器主体框架是利用实验室的长木板和木质米尺制作而成的，侧面贴有长条的金属板，左端是一辆自制的小车，小车上配有放电针，放电针与金属板和电火花计时器的正负极相连，放电针与金属板之间产生火花放电可以在热敏纸上打出点迹，记录小车的运动过程，右端是一台小电动机用来牵引小车前进，使小车先加速达到最大速度后匀速运动，研究小车达到最大速度时的速度v,牵引力F和电动机输出功率P之间的定性关系.利用此装置可以演示以下3个实验.

图1 功率与牵引力、速度的关系演示仪结构

实验一：保持电动机输出功率P基本不变，研究牵引力F和小车速度v之间的关系.

在电动机输出功率P基本不变的前提下，依次调节高度调节器的高度，使轨道的倾角依次增大，从而增大每次小车运动过程中达到最大速度时的牵引力F，比较小车速度变化情况.

实验二：保持牵引力F不变，研究电动机输出功率P和小车速度v之间的关系.

保持斜面倾角不变，使小车以最大速度匀速运动时牵引力F保持不变，通过调高电压依次增大电动机的输出功率，比较小车速度变化情况.

实验三：模拟汽车低挡上坡.

通过切换如图2所示的大皮带轮和小皮带轮，使学生直观感受低速挡和高速挡的区别.

图2 大皮带轮和小皮带轮

3 教具制作过程中的几点说明

(1)这个实验首先要保证小车所受阻力在一次运动过程中保持不变，而我们日常用的轨道小车，如火车侧边轮轨道、凹形槽轨道，实验都不成功.因为轮子的侧面容易与轨道的侧面相互摩擦，而且这个力带有偶然性，不可控，无法保证小车最后做匀速直线运动.为此在笔者多次研究之后，发现“4个侧面小滑轮”(图3)定位的方法相对较好，并且在小车的4个轮子处加装了滚珠轴承(图4)，使小车在运动过程中的阻力更加稳定.

图3 4个侧面小滑轮

图4 加装滚珠轴承

(2)将放电针和金属板与电火花计时器的正负高压脉冲相连，通过放电针和金属板间的火花放电实现在热敏纸带上打点，设计的放电针如图5所示.这是一个3个方向可调的放电针，能迅速地调节放电针的位置，实现一条热敏纸上能打出多条轨迹，便于比较小车运动的快慢.

图5 放电针的设计

(3)本教具通过两路光控继电器模块，对电动机和电火花计时器的工作进行了自动控制，自动控制的开关是如图6所示的两个光敏电阻，打开遮光板光敏电阻接受光照，电动机和电火花计时器开始工作，当小车运动到轨道末端时不透光的车身刚好遮住两个光敏电阻，使电动机和电火花计时器停止工作，也防止了电动机因堵转而烧坏.

图6 光敏电阻自动控制开关

(4)本实验的一个关键点是如何保持电动机输出功率不变.根据电动机的输出功率计算公式

P=UI-I2R

(R=9.0 Ω,U=2.87 V)作出输出功率P与电流I之间的关系图像如图7所示.

在图像顶点附近输出功率变化十分微小.同时本实验利用电压和电流传感器采集电压、电流数据，然后通过公式计算电动机的输出功率，如图8所示.通过大量的实验证明，本教具的高度调节器在一定的高度范围内调节，可以将电动机的输出功率控制在0.220～0.228 W之间，从而实现电动机输出功率基本不变.

图7 P-I图

图8 电压和电流传感器

(5)本实验虽然用的是电火花计时器的高压脉冲输出，但是绝大部分高压区域均有绝缘体包裹，并且绝大部分的操作是在断开高电压的情况下，唯一的高电压接通时的操作就是转动遮光板，此操作远离高电压区域，因此本仪器是绝对安全的.

4 实际教学探究过程

实验一：保持电动机输出功率P基本不变，研究牵引力F和小车速度v之间的关系.

第一步，打开电源，将恒压电源调节到2.87 V，将高度调节器调节到一定高度.

第二步，转动遮光板使电火花计时器和电动机开始工作，牵引小车先向前加速，达到最大速度后匀速运动.

第三步，小车以最大速度运动一段距离之后，会运动到光敏电阻R1和R2所在位置，此时不透光的车身会将两个光敏电阻先后挡住，这样电火花计时器和电动机就会先后停止工作，小车完全停止后，转动遮光板，挡住光源，并将小车拉回起点.

第四步，每次将高度调节器调高一定的高度，并将放电针尖端位置向下调节一段距离，继续实验.

5次实验之后获得纸带如图9所示.

图9 5次实验后获得的纸带

通过图9所示的纸带可以得到结论：在误差允许范围内，当电动机输出功率P保持不变时，小车匀速时的速度v随着小车牵引力F的增大而减小.

实验二：保持牵引力F不变，研究电动机输出功率P和小车速度v之间的关系.

第一步，打开总电源和恒压电源，将恒压电源调节到2.44 V，将高度调节器调节到一定高度不变.

第二步，转动遮光板使电火花计时器和电动机开始工作，牵引小车先向前加速，达到最大速度后匀速运动.

第三步，小车以最大速度运动一段距离之后，会运动到光敏电阻R1和R2所在位置，此时不透光的车身会将两个光敏电阻先后挡住，这样电火花计时器和电动机就会先后停止工作，小车完全停止后，转动遮光板，挡住光源，并将小车拉回起点.

第四步，每次将恒压电源的电压调高一定值，并将放电针尖端位置向下调节一段距离，继续实验.

4次实验之后获得纸带如图10所示.

图10 4次实验后获得的纸带

通过图10所示的纸带可以得到结论：在误差允许范围内，当牵引力F保持不变时，小车匀速时的速度v随着电动机输出功率的增大而增大.

实验三：模拟汽车低挡上坡.

将高度调节器调节到一定高度，使得大皮带轮无法拉动小车前进.保证其他条件不变将牵引线切换到小皮带轮，小皮带轮可以拉动小车前进.

5 实际课堂教学效果

通过实验探究教学，改变了原本灌输式的理论探究教学和沉闷的课堂气氛，激发了学生的学习兴趣，教具中用到的器材和实验原理是高中学生比较熟悉的，学生容易接受，有助于教学的顺利进行.

学生经过具体的实验探究，对功率P，牵引力F和速度v的关系有了一定的了解.通过这个实验学生建立了功率与牵引力、速度关系的物理模型，也培养了学生的科学探究能力，学生具备相应的能力之后再回到理论探究，就相对容易接受，并且理论推导的结论也与实验结论相印证，增加了实验的说服力.从课后反馈的角度来看，学生对于这个知识点的掌握相较于往届学生要好许多.

实验三模拟了汽车上坡起步的实际问题，学生见过实际模型之后对这类问题的理解更加深刻了，解决实际问题也更加得心应手.

6 结束语

本实验仪器是以实验室中一些常用的仪器为基础制作而成的，同时为了操作上的简洁和方便，应用了两路光控继电器模块，增加了自动化的控制功能，大大缩短了实验操作的时间，在实际的教学探究中取得了非常好的效果，将原本沉闷的理论探究课堂，变成了学生非常感兴趣的实验探究，加深了学生对“功率与速度”这一关系的印象.可见作为物理教师应该多从实验的角度进行思考，多设计一些能提升学生学习兴趣，帮助学生建立物理模型以及培养学生科学探究能力的实验，只有这样才能展现物理的美，才能吸引更多的学生，才能把培养学生的核心素养真正落到实处.

最后，本教具在2018年浙江省中小学优秀自制教具终评活动中荣获浙江省二等奖.