利用自制教具改进“动能、势能、机械能”实验

摘 要：“探究动能、势能大小与哪些因素有关”是苏科版九年级《动能势能机械能》一节中重要的教学活动.实验器材的选用是否合理、实验现象是否鲜明，很大程度上影响着学生探究学习的效果.笔者针对苏科版教材中本节实验装置的不足，对实验装置进行了改进和创新，自制一套综合性教具，取得较好的实验效果，在省优课比赛中获得多位专家的一致好评.

关键词：动能;势能;实验;改进;创新

中图分类号：G632      文献标识码：A      文章编号：1008-0333（2021）02-0051-02

收稿日期：2020-10-15

作者简介：施邱瑾（1988.3-），女，江苏省南通人，本科，中学一级教师，从事中学物理教学研究.

物理是一门以实验为基础的学科.实验教学贯穿于整个物理学习中，是物理教学的重要手段.物理实验生动、鲜明、可见度高，不仅能向学生提供丰富的感性材料，而且能形象、直观地揭示物理概念和物理规律的本质，进而激发学生学习热情，促进学生能力提升.现行初中物理教材的大部分实验操作性强、效果显著，但也有少部分实验，在实际操作中不易成功或现象不明显，对物理教学产生一定的影响.笔者通过自身反复实践，对苏科版第十二章第一节《动能势能机械能》的实验装置进行了一些改进与开发，克服了原实验装置中的不足，提高了实验的成功率，取得较好的课堂教学效果.

一、教材装置的缺陷分析

1.动能影响因素探究实验的不足

如图1所示，课本是以运动的小车为研究对象，木块为观察对象进行实验探究的.这些实验器材取材方便，但若学生实验，会存在以下几个问题：

（1）实验中小车运动的轨迹不一定是直线，会出现偏离轨道或无法保证成功撞击到木块中心;

（2）车从斜面上运动到水平面时有撞击，能量有所损失，加之木块质量较大，木块被推出的距离短，做功现象不明显;

（3）用一个木板进行实验探究，只能观察到一次现象，对木块移动距离的比较不是很直观.

2.重力势能影响因素探究实验的不足如图2所示，课本是以“模拟打桩”的活动，以木块为重锤，小桌为桩，通过小桌子陷入沙坑中的深度来反映重力势能的大小.但本实验有也有不足之处：

（1）重锤从一定高度自由下落时，无法保证恰巧撞落在小桌中心，导致小桌歪斜，四只桌腿的下陷深度明显不同，导致难以观察或实验无效;

（2）小桌下陷距离现象不明显，不管是测量还是做标记，比较时不很直观.

3.资源利用率低

课本中的实验器材比较多，准备起来比较麻烦.而且每个器材基本都是只用一次，无法达到重复使用的目的.  二、实验装置的改进与创新

出于以上问题的思考，基于对实验直观、明显、简单、可靠的改进原则，笔者对器材进行了如下的改进与创新.

1.实验器材准备

器材：6mm直径的不锈钢管、30g塑料球一个、130g钢球两个、50g塑料瓶两个（装有沙子）、弹簧、直径60mm的塑料小桶、不锈钢文具夹、木夹子等，见图3.制作：①截取4根1米长的不锈钢管，按比例制成一部分水平一部分倾斜的两列平行导轨，斜面与水平面约成30°，衔接处压制成圆弧状.②将直径60mm的塑料小桶沿一直径进行穿孔（位置在开口附近处），用铜丝将两不锈钢文具夹反方向固定在两开口处，如图4所示.

2.探究动能大小的影响因素

本装置以小球代替小车，瓶子代替木块，通过瓶子被球推出的距离反映動能的大小.图5为“探究动能大小与速度关系”的过程，图6为“探究动能大小与质量关系”的过程，均取得较为理想的教学效果.

改进后的优点：

（1）轨道保证了小球的运动路线，确保小球准确无误撞击到瓶子中心;

（2）可以通过装有沙子多少控制瓶子的质量，使球始终推动瓶子向前运动，不会在推动过程中反弹，且钢球推动瓶子运动距离长，做功现象非常明显;

（3）双轨设计可使两球同时实验，现象更直观明显，直接比较，无须测量或作标记;

（4）可以直观的演示信息快递中的内容，使学生对于“从斜面同一高度静止释放的小球会不会因质量不等而速度不同”的疑虑消除.

3.探究重力势能大小的影响因素

如图7所示，把装置竖直放置，利用文具夹将直径为60mm的塑料小桶安装在中间的大轨道，塑料小桶可上下活动.将塑料小桶比作桩，将小球比作重锤，即可以进行重力势能影响因素的探究实验.

（1）探究重力势能大小与高度的关系（如图8所示）

将一个钢球从不同高度自由释放，观察小桶被球推落距离的长短，利用木夹子作标记展示出小桶下落距离，直观比较两球重力势能的大小.

（2）探究重力势能大小与质量的关系（如图9所示）

将一个钢球与一个塑料球从同一高度自由释放，观察小桶被球推落距离的长短，根据木夹子标记位置比较两球重力势能的大小.

改进后的优点：

（1）可视度高：能清晰看出小球使桶下落了一段距离，做功现象明显;

（2）操作容易：小球只要落入瓶中，不用担心瓶子歪斜不易比较的问题;

（3）便于对比：通过夹子做标记，可容易控制小球下落的高度相同或不同，同时直观地比较小桶下落距离的长短.

4.探究弹性势能大小的影响因素

在水平轨道尾部卡一弹簧（将弹簧焊接一铁片，将铁片压制出一凹槽镶嵌在尾部支架上，以增强弹簧稳定性），用瓶子压弹簧，使弹簧的弹性形变大小不同，松手后观察瓶子被弹出的距离，即可演示物体弹性势能与弹性形变大小的关系，见图10、图11所示.

5.观察动能和势能的相互转化

在水平轨道的末端固定弹簧，让铁球从坡顶自由滚入水平轨道，观察到球滚动至水平轨道末端，与弹簧碰撞后球又被反弹的过程，说明动能与势能之间可以相互转化，如图12所示.

以上实验装置的改进，与教材实验装置相比，实验操作简单，能清晰显示实验现象，直观、完整地证明物理规律.而且创新装置弥补了教材实验组合的不足，一个器材可做多个实验，利用率高，起到节时高效的教学效果.

  参考文献：

[1]张又中.机械能守恒定律研究与应用[J].数理化解题研究，2017（34）：76-77.

[2]王雷.春风化雨  润物无声——对“动能势能机械能”一课的评价[J].黑龙江教育（中学），2016（12）：38-39.

[3]刘俊英.“影响动能大小因素”与“动能与弹性势能之间的转化”探究实验的改进[J].中国现代教育装备，2012（20）：28-30.

[责任编辑：李 璟]