巧制多功能教具探究物理重难点

刘召新

(余姚市第四中学 浙江 宁波 315400)

1 制作背景

经过多年的高中物理教学总结发现，有些重难点的知识教学突破，只用理论探究的方法学生总感觉太抽象，难以理解，例如，“正负功的意义”“变加速运动的理解”等.鉴于此，笔者历经多年制作了能实验探究这些重难点的自制教具，不但辅助了理论教学，而且填补了相关实验教具的空白.在实际教学时取得了很好的效果，值得推广应用.

2 教具的制作原理和方法

利用轻弹簧、轨道小车组成系统.弹簧的弹性势能与小车的动能相互转化，从而探究机械能的守恒问题.将电火花计时器的两个电极分别连接在小车与铝合金轨道上，从而通过打点留迹记录小车的运动情况，探究变加速运动问题，如图1所示.

图1 自制多功能教具实验装置

(1)选用光滑的铝合金轨道，在中间位置固定一个“U型门”，用“门梁”悬挂轻弹簧的上端.

(2)自然下垂的轻弹簧下端连接小车，小车与轨道之间尽量光滑.

(3)电火花计时器固定在装有电磁铁的一端，把电火花计时器的高压电极分别加在小车和轨道上，调节两个电极间的距离，确保小车经过的位置都能稳定打点留迹.

(4)在轨道上安装调节水平的液泡，小车运行的末端安装刹车装置.

3 教具在实际教学的应用

3.1 实验准备

(1) 将本实验装置放在水平桌面上，将电火花计时器接通电源.

(2)将轨道小车与轨道平滑接触，调节轨道下端的平衡螺母，对小车进行补偿阻力.

(3)把轻弹簧下端与轨道小车连接.

3.2 功能一 探究力做正负功的意义

(1)力F对小车做正功的实验探究

如图2所示，弹簧拉力F的方向与小车位移L方向夹角θ成锐角，则WF=FLcosθ>0，F做正功.小车的运动情况如图3 所示，对纸带进行数据分析,记录如表1所示.

图2 F与L成锐角θ

图3 F与L成锐角θ时小车的运动

表1 力F对小车做正功时对纸带的数据记录

结论：相同时间内位移在增大，说明小车做加速运动，进而说明力做正功使物体速度增大，是动力.

(2)力F对小车做负功的实验探究

如图4所示，弹簧拉力F的方向与小车位移L方向夹角θ成钝角，则WF=FLcosθ<0，F做负功.小车的运动情况如图5 所示，对纸带进行数据分析、记录如表2所示.

图4 F与L成钝角θ

图5 F与L成钝角θ时小车的运动

表2 力F对小车做负功时对纸带的数据记录

结论：相同时间内位移在减小，说明小车做减速运动，进而说明力做负功使物体速度减小，是阻力.

3.3 功能二 探究变加速运动

对表1的实验数据进一步分析，如表3所示.同理，再对表2的数据加以分析(略).

表3 对表1数据分析

结论：相同时间内位移差在减小，据Δx=aT2可知，a在减小,即小车做加速度减小的加速直线运动.相同时间内位移差在增大，据Δx=aT2可知，a在增大，即小车做加速度增大的加速直线运动.

3.4 功能三 探究机械能转化和守恒

小车和弹簧组成的系统，弹性势能与动能相互转化.如图6所示，弹簧伸长时将小车由静止释放，运动的小车具有的动能由弹簧减小的弹性势能转化而来；如图7所示，运动的小车把弹簧由原长逐渐拉长，弹簧增加的弹性势能由小车的动能转化而来.该过程重复往返，直观反映了弹性势能与动能的相互转化.通过进一步观察分析小车所能到达的位置，还可以探究机械能的守恒问题.

图6 弹性势能向动能转化

图7 动能向弹性势能转化

3.5 功能四 粗测弹簧的劲度系数κ值

如图8所示，小车和弹簧组成的系统，小车静止时，动能Ek=0，系统的势能Ep最大，弹簧的长度为x1，弹簧的原长x0，则弹簧的形变量

x=x1-x0

弹簧的弹性势能

图8 弹簧的长度变化

当弹簧原长状态时，势能Ep=0，动能Ek最大.如图9所示，分析纸带找出纸带上速度最大的记数点“15”，利用瞬时速度的计算方法求出速度v，则小车的动能

弹性势能Ep完全转化为动能Ek.据

可以计算出

图9 小车的最大速度

从能量的角度测量弹簧的劲度系数κ，是一种全新的方法，能启发学生对能量角度研究问题的深入思考，引导学生健全能量角度解决问题的思路.

4 该自制教具的优点

我们自制的教具有以下优点：

(1)利用常规器材，巧妙制作而成.

(2)巧用“火花放电”打点留迹，清晰记录运动过程，实验效果显著.

(3)“一器多用”，实验功能多种，巧妙攻克物理教学重难点问题.

(4)教具简洁便携，操作方便，适合实际教学需要.