多功能传送带实验演示仪的研制

江莹

【摘要】针对高中物理传统实验中存在的一些不足之处，包括传送带问题在教学中缺乏实验演示、现有测静摩擦力实验设计复杂不利于学生理解，以及验证动能定理实验无法定量测量做功数值的问题，利用传送带结合传感器、丝杆滑台和示波屏幕制作出新型教具，演示三个实验：传送带—滑块实验、测摩擦力实验、验证动能定理实验.实验结果表明，新型教具效果明显，可以提高教师课堂演示实验的效率，并为学生提供更丰富的探究实验项目，有助于优化物理新课教学和习题研究的教学设计和方法.

【关键词】高中物理；实验教学；自制教具

物理学是一门以实验为基础的学科.《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》凝练了物理学科核心素养，进一步强调了实验教学的地位和作用.然而，鉴于传统实验教学中存在的不足，教师应当在教学实践中动态生成更高效的实验方案，自制更符合本校学生学情的教具，优化与提升实验教学质量.笔者根据本校学生的情况，研制了一套多功能传送带实验演示仪，可以演示三个实验：传送带—滑块实验、测摩擦力实验、验证动能定理实验，在习题情境实验、课本演示实验改进、概念规律突破补充实验这几个方面做出了尝试，实验效果明显，有助于教师开展实验化习题教学和演示实验及为学生进行探究性实验研究提供更便捷的实验器材，有助于优化物理新课教学和习题研究的教学设计和方法.

1 传送带—滑块实验

1.1 问题的提出

高中物理必修一的运动学课程里，有一类传送带运送滑块的经典习题，也是高考备考的热点习题.该类型习题涉及复杂的物理情境：传送带是水平的或倾斜的，滑块的初速度方向与传送带的运行方向相同或相反，滑块滑上传送带后，运动情况可能是一直匀速、一直加速、一直减速、先减速后匀速、先加速后匀速、先向前减速后加速返回等多种运动状态.滑块的初速度与传送带的运行速度的不同组合导致滑块的运动性质复杂多样.要解决这类问题，需要深入分析，除了要熟练掌握物理规律，还要在头脑中构建一个清晰的动态情境图形，要详细地描绘出滑块在传送带上的每一个运动阶段，包括初速度、传送带的速度、摩擦力、加速度等参数如何影响滑块的运动轨迹.

然而，由于缺乏生活经验，许多学生可能从未见过传送带，或者只见过货物与传送带以相同速度运动的情况.这导致他们在分析此类问题时，往往会分析不全面，条理不清晰.而目前市场上并没有任何相应的教具能完整地演示这一情境，教师在课堂上往往只能用语言描述或者用模拟动画来讲解，学生也无法通过亲自动手操作、实验探究来理解和掌握这一复杂的物理现象.

为了解决该难题，笔者研制了传送带—滑块实验演示仪，如图1所示.该演示仪能真实地演示出传送带传送滑块模型时的各种情境，教师授课时可以进行演示实验，也可以让学生进行动手探究式学习，激发学生的学习兴趣，提高课堂教学效果.

1.2 传送带—滑块演示实验的制作

1.2.1 滑块与发射装置的制作

笔者参考发球机的原理，设计了用双轮发射滑块的装置，为了保证两轮的转速一致，采用单马达通过齿轮传动来带动双轮，防止因为双轮速度不同导致滑块发生旋转而偏离直线轨迹，操作者通过PWM调速器给发射马达调速，自由设置滑块的初速度，从而将滑块精准地发射出去做直线运动.

笔者选择了2.8cm×2.8cm×2.8cm的正方体木块作为滑块的主体，并在滑块底部固定一块不锈钢垫片，以降低重心，提高滑行的稳定性，最后在滑块的最下面贴上一层聚四氟乙烯薄膜，以减小摩擦系数，这样即使在滑块的初速度较小时，也能明显地演示出相对滑行的效果.

1.2.2 实时测量滑块瞬时速度的方法

在传统的实验中，通常使用光电门来测量挡光时间，然后用挡光物体的大小除以挡光时间换算出瞬时速度.一个光电门只能测量一个特定的点，这意味着无法精确地追踪和测量滑块在整个过程中的速度变化，这也限制了实验对物体动态运动的捕捉和解析.

市场上有DIS（数字化信息系统）的实验器材里有灵敏的位移传感器，但这些传感器通常需要固定在运动物体上，不适合需要演示物体自由滑动的情况.

鉴于此，笔者选用重复精度为1mm、反应时间为1.5ms的激光测距传感器BL-400NMW.这款传感器的测距范围为20～60cm，能够全程、零接触地测量滑块的位移，将20～60cm距离值转换为0～5V电压值，非常方便地提供了更为精确的数据.

笔者将激光测距传感器固定在离发射轮60cm的正对面处，确保传感器能够完整地捕捉到滑块的运动轨迹.每经过0.02s，传感器就会采集一次距离数据.这些数据随后通过特定的算法被转换为瞬时速度.这种方法不仅提高了实验的精度和准确性，而且通过实时采集和计算，能够更全面地了解滑块在整个运动过程中的速度变化，从而为深入的物理研究提供了有力的数据支持.

由于滑块的变速过程时间极短，仅看数据无法较快判断出滑块的运动性质，笔者设计了在显示屏上实时显示滑块的速度变化的波形，这样实验者就能快速直观地展示出滑块的运动性质.该实验屏幕界面如图2所示.

2 测摩擦力实验

传统的测量静摩擦力实验中，实验者需要手持弹簧测力计来拉动物体.用这种方法由于弹簧测力计内部的摩擦以及实验者的手持不稳定因素，导致读数不精确，并且难以灵敏地捕捉到静摩擦力的细微变化.

有人使用了如图3所示方式来改进这个实验.虽然这样解决了稳定性问题，但这种方法拉力的作用对象改变了，实验原理变复杂了，不利于教师讲解与学生理解.麦克斯韦也说过，“一项演示实验使用的材料越简单，学生越熟悉，就越想彻底地获得所验证的结果，这种实验的教育价值往往与仪器复杂程度成反比.”

因此笔者想制作一种能按照课本简单的原理来演示，而又能稳定灵敏地来展示静摩擦力的变化图线的实验仪器.

为了解决上述问题，笔者将拉力传感器固定在丝杆滑台上，再将拉力传感器通过细绳来牵拉物块，如图4所示.这样能真实还原课本的直接拉物块来测摩擦力的情境.使用时缓慢转动丝杆滑台的手轮，使拉力缓慢地增大，并将该力的大小通过传感器测出在屏幕上显示其变化波形，细致地反映出静摩擦力随着拉力增大而增大，达到最大静摩擦力后，滑块开始滑动，变为滑动摩擦力，大小略有减小的变化过程.最后再开动传送带，让传送带相对滑块运动，而滑块固定不动，演示出滑动摩擦力的大小情况，同时还能让学生更好地理解判断静摩擦力与滑动摩擦力的条件.

3 动能定理实验

传统的动能定理实验是通过橡皮筋弹射小车，用打点计时器测量小车的速度变化，通过改变橡皮筋的条数，实现验证在做功为W/2W/3W情况下与小车动能变化量的关系.而W具体是多少不能定量测出.因此笔者想开发一种能定量测量做功，简单便捷验证做功与动能变化关系的仪器.

笔者用上述传送带实验演示仪改进了该实验.实验时先开启传送带，用力传感器测出滑块与传送带间的滑动摩擦力f，然后用双轮以某速度发射滑块，用光电门测出滑块通过光电门时的瞬时速度v，用激光测距传感器测出滑块从光电门滑行至停止的位移x，就可以定量得出物体克服摩擦力做功W=fx的数值，与物体动能变化量的数值对比，就可以定量地验证动能定理.本实验的实验原理简单易懂、实验仪器易操作，经测试实验结果误差控制在1.5%以内.

4 结语

随着时代的日新月异和科技的飞速发展以及教育理念的更新，原有的一些实验器材及其对应的实验方法已经显得陈旧落后，无法满足当代科研与教学的需求.教师应当在教学实践中动态生成更有效的实验方案，运用新材料和先进仪器来开发更多的习题情境实验、改进课本演示实验及补充更丰富的概念规律突破实验，提高实验的精度和可重复性，对实验数据进行深度分析和挖掘，从而揭示出隐藏在数据背后的规律和趋势使实验现象更加直观和明显，为学生的研究性学习提供更丰富的探究实验项目，培养学生的创新思维和实践能力，让他们在实验探究过程中更深入地理解科学原理和方法，推动物理教学的改革与创新.

参考文献：

［1］潘自辉.对J2175型摩擦力演示仪的改进——自制新型摩擦力演示仪［J］.中国现代教育装备，2023（24）：24-26+31.

［2］刘泽法.基于核心素养下“传送带模型”的教学策略［J］.数理化解题研究，2022（09）：88-90.

［3］郑康.验证动能定理的实验改进［J］.中学物理教学参考，2016，45（10）：93-94+2.

［4］王松，王国强，徐进红.高中物理教学中自制教具的开发与利用实践研究［J］.中学物理教学参考，2022，51（34）：47-51.