弹性势能探究显示器的创制及教学

广东省东莞市桥头中学(523520) 侯兆军

新时代物理教学的不断发展，需要实验教具同步创新。在原有实验资源的实用性、安全性、趣味性不能满足教学要求，特别是教学内容抽象，缺乏探究教具时，我们物理教师应该创新、创制实验教具，优化教学手段和过程，更高效地实现教学目标。本人针对初中物理“弹性势能及其影响因素的探究”传统教学的不足和局限，创制出弹性势能探究显示器，明显提高了教学效果，培养了学生的物理核心素养。该作品也被选拔推荐到广东省青少年科技创新大赛“科技辅导员项目”中，得到奖励和推广。

1 教具制作的必要性

“弹性势能及其影响因素的探究”是初中物理的重要教学内容，弹性势能与生产生活关系紧密、应用广泛，如弹簧、弹性钢片、橡皮筋、弓箭等；该知识点也是高中物理中弹性势能计算公式的基础。由于能量的概念和显示都比较抽象，所以具有较大的教学难度。

经调查，在目前“弹性势能及其影响因素的探究”教学中，实验室没有配套的专用实验仪器给学生实验用。教学中教师一般采取：①定性演示的方法，如用弹簧、橡皮筋的形变对物体做功来演示说明，但未定量测量，且有一定的危险性；②电脑动画模拟，安全定量但不真实；③用弓箭、弹弓等生产生活工具的使用来说明，情景熟悉但不直观具体。这些实验教学方法不够严谨、过程不够安全、体验不够深刻，不能适应实验教学发展、导致教学难点不能突破，科学的能量观不能顺利建立。

同时，初中物理的相关教学内容，如重力势能探究、动能的探究等都有配套实物装置。为了填补弹性势能探究定量探究教具这一空白，笔者就想制作一种安全、简便的装置，使学生通过实验来探究学习这一内容，以降低教学难度，提高教学效果。

2 实验原理和制作改进

经过多次构思和试验，采用“缺点列举法”“转换法”“替代法”“组合法”等方法，设计了利用弹簧的弹性势能不同，推动钢球在密闭轨道内运动的距离也不同的实验原理。

首先，选择大号保健钢球作为“显示标志物”，因为它体积大、质量大、光滑易于滚动、可视性强。

其次，设计考虑安全性，把钢球置于密闭透明的大塑料筒内，安全且可视性强。再次，设计柔性阻挡钢球前进的材料，先试用过海绵，后定为硬毛刷。最后，定量测量，将塑料软尺粘在硬毛刷和注射器筒外精确读值。

主要制作过程如图1、图2所示。

图1 实验装置图一

图2 实验装置图二

(1)将2个透明圆柱形保鲜盒开口相对，用502胶水粘接成透明大塑料筒,在大塑料筒左上方开口放入钢球后、嵌入硬毛刷在适当高度悬空固定。

(2)在大塑料筒右侧正上方竖直向下割开长20 cm、宽2 mm裂口，插入长条型蓝色塑料挡板来固定钢球,长筒右侧面为圆形，正中间开口连接大号注射器筒。

(3)取3个注射器活塞，分别在其黑色圆橡胶帽上嵌入粗细(即硬度)不同、但长度均为100 mm的弹簧A、弹簧B、弹簧C，活塞可以推动弹簧进入注射筒内；为了挡住弹簧，在注射器和保鲜盒接口处插入1枚长钢针(或细钢棒)。

(4)为了精确测量长度，在毛刷对应的大圆筒侧面和注射器圆筒侧面粘上软尺，零刻度线对准起始位置边缘，可以直接读出弹簧长度以及钢球在刷毛下运动距离。

通过反复实验，笔者又做了以下改进：

(1)为了保持钢球在水平轨道前进，将装置下方两圆柱形筒接口处削平。

(2)为了提高硬毛刷记录钢球前进距离的区分度，将硬毛刷高度适当提高，减小刷毛阻挡面积。

(3)为了便于控制钢针，将其上方用矿泉水瓶盖和泡沫块固定，加上圆形手柄。

3 实验演示和体验教学过程

在“探究弹性势能”教学中，笔者就用自制的“弹性势能探究显示器”来教学。当自制实验器材出现在讲台上时，学生的注意力和好奇心一下子就集中起来了，笔者在引导学生了解实验器材的原理后进行了如下演示实验：

(1)将显示器放在水平桌面，用挡板将钢球固定在透明大圆筒右端。

(2)在注射器和大圆筒接口处插入钢针，将钢球和弹簧临时分开固定，推动活塞将弹簧A压缩一定长度，从右软尺上读出弹簧形变大小，如ΔL=20 mm。这时弹簧A具有了弹性势能。

(3)拉出挡板后，迅速提起钢针，释放压缩弹簧A，弹簧恢复原状,释放弹性势能;转化为钢球的动能，钢球快速向左滚动，因为轨道光滑，可把钢球视为匀速直线运动，直到遇到上方毛刷后，在摩擦力作用下，钢球滚动很快变慢，在毛刷上滚动一定距离后静止；最后从左软尺读出钢球推动刷毛的距离，如Δs=20 mm，计入表1。

表1 实验记录表

(4)继续使用弹簧A进行实验，弹性强弱不变，改变弹性形变大小，如ΔL=40 mm、ΔL=60 mm，进行对比实验；分析1、2、3次实验数据，得出实验结论一：“弹性强弱不变时，物体弹性形变越大，弹性势能越大”。

(5)然后进行第2个探究活动，控制弹性形变大小相同，如ΔL=60 mm，换用弹簧B和弹簧C进行实验，改变弹簧粗细即弹性强弱，进行对比实验，把数据记入表格。分析3、4、5次实验数据，得到了实验结论二：“弹性形变相同时，物体的弹性越强、弹性势能越大。”

总结：弹性势能决定于弹性形变大小和弹性强弱两个因素，物体弹性形变越大、弹性越强，弹性势能越大。

师生合作，利用控制变量法和转换法，探究了弹性势能的影响因素，牢固建立了弹性势能的概念、理解了弹性形变大小、弹性强弱与弹性势能的关系，轻松突破了教学难点。同时通过弹性势能与动能的转化拓展，为后面的“机械能转化和转移”学习打下了基础。

4 教学效果和实验教具价值

(1)本实验装置创设了真实的物理过程，用钢球的运动和刷毛的形变，化抽象为具体，在体验中学习，轻易突破教学难点。

(2)实现了准确的定量实验探究。用注射器控制弹簧的形变大小，用软尺准确测量相关数据，培养了学生的设计能力和科学素养。

(3)确保安全、制作简易、操作简便、效果直观明显、性能稳定。

(4)拓展了学习领域，提高了创新实践能力，有效培养学生科学思维。

5 教具的不足和前景展望

(1)本装置应该放置在水平的实验桌面上，若桌面不平，就会影响实验的精确度，甚至会造成很大的误差，所以应该在装置底部加装一个水平调节器。

(2)钢针的操作不够简便、使用中会有轻微变形，可改成细钢棒，用弹簧按钮来控制。

(3)手工制作不够美观精致。