“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

刘俊英

物理是一门以实验为基础的自然学科，从物理科学的形成和发展来看，实验起到了十分重要的作用。实验是物理学科的灵魂，在物理教学中实施和创新实验是新课程素质教育理念的展示，它可以使学生亲身经历和体验实验，培养学生的观察和实验能力，培养学生的创新精神和团结协作精神，全面落实科学发展观的目标。实验教学具有其他教学内容和形式所不能替代的作用。

在人教版九年级物理第十五章第四节《动能和势能》中，为了研究“动能大小与什么因素有关”，提出了利用斜面、铁球、木块等器材组合开展的实验探究(如图1所示)。

图1

但是，在实验中发现用这些器材组合开展实验探究存在一些不便之处。首先，被球撞击的木块在前进中位置倾斜，不便确定其被撞出的准确距离。其次，球在斜面上滚下时经常会偏离直线轨道，不能正撞在水平停放的木块上，且会从木块边缘滑落，课上要拣球，浪费实验时间。最后，在课堂上组合这些器材不能省时省力，组合不到位会使木块二次被推进的距离差距变小，实验效果不理想。为此，对教科书的探究实验进行如下改进。

一、“影响动能大小因素”探究实验的改进

1.“影响动能大小因素”探究实验改进的装置图(如图2所示)

图2

2.“影响动能大小因素”探究实验简图(如图3所示)

图3

3.“影响动能大小因素”探究仪所需材料及制作方法

(1)所需材料(如图4～图5所示)

①主要材料：2块长50 cm、宽10 cm、厚2 cm的两面平滑的长木板；直径为2 cm的钢球1个；直径均为1.5 cm的钢球和玻璃球各1个；磁带盒1个。

②辅助材料：宽1.5 cm、长50 cm的皮尺(带刻度0～50 cm)、废笔芯3个、直径为2.5 cm、厚度为1 cm的象棋棋子3个，彩色广告纸若干张，小合页2对(4 cm×3 cm两片金属构成的铰链)，门鼻儿1个(10 cm×3 cm，用于门上加锁)，长9 cm、直径约为5 mm金属钥匙链一段，长4 cm、宽2 cm的一段钢尺，一段长细钢丝，螺丝钉5枚。

图4 两块平滑的长木板

图5

(2)制作方法

①挖凹槽，做轨道(如图6所示)。

先把两块木板表面推平滑，然后在两木板中间挖出一个深4 mm、直径2 cm的半圆形光滑凹槽，作为钢球运动时的轨道。

图6 中间的凹槽是小球运行的轨迹

②连木板，做支架，成斜面(如图7所示)。

木板1做斜面，木板2做水平面。木板1背面中央固定门鼻儿挂上手链，就成了一个支架，可支可放。用一对小合页把两块木板固定在一起，木板1，2可随意弯折成不同角度，也可折叠重合放置。

图7

③磁带盒再加工。

磁带盒作为被撞物体，通过它来反映物体动能的大小。磁带盒两宽边缘用胶水粘超过它厚度5 mm的长塑料条(材料即为磁带盒的侧面边)，使其恰好横跨木板2两边，且卡在木板两边。当球撞击到盒子上时，盒子会在木板上直线滑行，它的位置不会倾斜，钢球也不会落地。

④贴刻度，做小旗，明位置。

木板2面向学生的侧面上粘贴长50 cm的皮尺。木板1(斜面上)从距自由端5 cm处每隔14 cm粘一红色纸条，纸条宽4 mm，这样斜面上就有了3条醒目的刻度线了；不同颜色的广告纸折叠成3面漂亮的旗面，旗杆为笔芯，木质的象棋子为旗杆的底座。3面小旗作为被撞击的盒子终止位置的标志。最后，木板统一涂上白色，仪器美观大方。

(3)使用方法

“影响动能大小因素”探究仪的使用(如图8所示)：

图8

①把画有3条线的木板1支起，成一斜面，木板2水平放置。

②水平放置的木板上放置一个经过加工的磁带盒，第一次分别用大小不同的球从斜面刻线1处自由滑下，观察磁带盒被推进的距离；第二次，磁带盒放回原处，让大球分别从刻线1，2和3处自由滑下，观察磁带盒被推进的距离。每次实验时，磁带盒到达的位置放一小旗。通过比较磁带盒被推进的距离来说明小球动能的大小。从而得出物体动能大小的决定因素是：质量、速度。

③实验数据(见表1、表2)。

表1

表2

二、用于“动能与弹性势能之间的转化”实验的设计

在本章第五节《机械能及其转化》中，课本要求学生设计一个小实验来表现物体动能与势能之间的转化。实验室的器材及学生设计的实验大多能够体现动能与重力势能之间的相互转化，但动能与弹性势能之间相互转化的演示却很少。如何让实验能够真实、直观再现动能与弹性势能的相互转化过程、现象清楚、过程完整？如何使实验更便捷、用时少、效果好？经过笔者的摸索研究，把上述教具稍作改进，可用于 “动能与弹性势能之间的转化”实验的演示和学生的分组实验。

1.“动能与弹性势能之间的转化”实验的装置图(如图9所示)

图9

2.“动能与弹性势能之间的转化”实验的简图(如图10所示)

图10

3.制作方法

(1)自制带指针的弹簧

一段细钢丝自制成一段11 cm长、截面直径为2.5 cm、弹性良好的弹簧，弹簧一端留一段长5.5 cm的直钢丝，在长4 cm处向下垂直折1.5 cm长，且把1.5 cm长涂成红色，作为弹簧起始端标志的指针。弹簧起始截面上镶嵌一个大小与截面积相当的薄铁片，目的是为了让球撞击到弹簧上时弹簧受力均匀且不会卡住球。

(2)固定弹簧支架

在木板2自由端侧面中央位置，用螺丝竖立固定一钢尺，钢尺可旋转，用时钢尺竖起与木板水平面垂直，自制弹簧终端可以套在钢尺上；不用弹簧时，从钢尺上摘掉弹簧，旋转钢尺至水平位置，使其紧紧贴在木板2边缘。

4.使用方法(如图11所示)

让铁球从斜槽的顶端自由滚下进入水平槽中，在水平槽的一端固定一弹簧，观察到球与弹簧撞击的过程，说明动能与弹性势能之间的转化。

图11

有刻度、用小旗确定被撞物体的位置，旗帜鲜明，对比明显。撞击弹簧时，弹簧被压缩、反弹、恢复原长的这个过程，用指针无论是从正面还是侧面，观察者都能看得清清楚楚，弹性势能与动能的转化过程形象直观。

三、该教具的优点

(1)简单易做，取材容易，造价低廉，便于自制和推广。

(2)结构简单，支架可折叠，轻巧灵活，外形美观。

(3)仪器附件大多为废旧物品，经济环保，变废为宝。

(4)易于操作，实验方法简单，能形象生动、完整地证明物理规律。

(5)能鲜明地展示实验现象，可见度、演示效果好，可用于教师演示或者学生探究实验。

(6)纠正了传统实验组合的缺点，一个器材可做两个实验，节时高效。

实验教学灵活多样，有利于学生全面发展，挖掘学生内在的潜能。实验是物理学的基础，改进实验教学是物理教师的责任。让我们以实验创新为前提，以科学探究为主，多做实验，勤于钻研，勤于动手，加强实验教学。通过挖掘教学内容，把课内探索延伸到课外，在实验教学中求新求异，培养自身的科学探究能力、创新意识以及科学精神，通过实验教学求得师生共同发展。