利用气垫导轨演示匀速直线运动中的二力平衡

(南京师范大学附属中学树人学校，江苏 南京 210036)

1 引言

“二力平衡”这节内容，是初中学生在具备了一定的运动和力的知识后，继续学习力与运动关系时非常重要的知识。本节通常包括三方面内容：介绍平衡状态、二力平衡等基本概念；通过探究得出二力平衡的条件；运用二力平衡的条件，解释生活中的现象。

2 教学中的遗憾

查阅现行各版本的初中物理教材，第二环节中的探究过程，通常有以下两种做法：一是以小卡片为研究对象，通过钩码提供拉力进行探究；二是以长木板上的小车为研究对象，通过钩码提供拉力进行探究。这两种方案皆可在将第三力(小卡片的自重、长木板对小车的摩擦力)尽量减小并忽略不计的情况下，得出二力平衡的条件。然而到此为止，我们仅仅总结出的是作用在静止物体上的两个力平衡的条件。物体在两个力作用下做匀速直线运动时，受到的这两个力是否依然满足“大小相等、方向相反、作用在同一直线上”的条件呢？

3 实验设计的改进

教材中没有提供实验方案，在平时的教学中，也很少且不易进行实验探究或验证。而匀速直线运动时的二力平衡又恰恰是学生学习过程中的一个难点，学生往往会受到生活经验的误导。为解决这一略带遗憾的缺陷，笔者经过思考，设计了可以演示匀速直线运动中的二力平衡的实验方案，并且经过了南京市级公开课的展示及检验，取得了较好反响。

实验进行的背景：是在完成了教材上的常规实验，得出了“受到两个力且保持静止状态的物体，它受到的这两个力满足大小相等、方向相反、作用在同一直线上、作用在同一物体上”的结论后进行的。

实验所需的器材：气垫导轨装置一套(含气源、滑块两只)、轻质弹簧两根、轻质小卡片一张、筷子一根。

实验装置的组合：如图1所示，在小卡片上画上红色指针，将两根弹簧的一端分别固定在小卡片的左右，另一端分别固定在两个滑块上；用细杆将两滑块撑开，使上方两根弹簧都处于拉伸状态，并在细杆上标记出整套装置处于静止状态时红色指针所指的位置，将组合好的装置摆放在气垫导轨上。

图1

4 课堂教学过程

气垫导轨是高中物理器材，为了让初中学生便于理解，笔者在教学中进行了如下处理。

4.1 知识铺垫

在课堂第一环节，即介绍“平衡状态”时，对气垫导轨的作用进行必要的简介。在得出“平衡状态”的概念后，请学生们列举生活中处于平衡状态的物体的实例，教师展现“神奇的轨道”。

(1) 气源不接通电源，推动滑块后发现滑块很快就停下，引导学生说明这是因为滑块受到的阻力很大。

(2) 气源接通电源后，告诉学生：“神奇轨道”的表面会向外喷出高速气流，此时可以将一张小纸条放在气垫导轨附近，通过观察纸条的飘动，让学生明白，“神奇轨道”确实在向外喷气，这股气流可以将滑块托起，使之与轨道脱离接触，极大地减小了滑块受到的阻力，通过此前学习过的磁悬浮列车、气垫船的例子可以帮助学生理解。

(3) 再次推动滑块，发现滑块能够长时间保持平稳的速度在轨道上滑行。此时告诉学生，滑块所做的运动非常接近匀速直线运动，也是处于平衡状态。

4.2 进行实验

探究“二力平衡的条件”时，在完成课本常规实验的基础知识上，利用气垫导轨装置，探究物体做匀速直线运动时的二力平衡。

(1) 提问：通过对静止的小卡片进行的这一系列探究，我们能否说，已经得到了二力平衡的条件了？如果学生回答“能”，则继续引导：“平衡状态只有静止这一种吗？”学生不难发现对匀速直线运动的情况尚未探究。

(2) 提问：如何让小卡片做匀速直线运动？如果有学生回答：可轻推支架上的小卡片，使其获得一个初速度。则不妨让学生尝试一下，会发现小卡片由于受到阻力，很快就会停下。

(3) 提问：教室里有什么器材可以达到使物体做匀速直线运动的目的？有了前面的铺垫，会有学生想到“神奇的轨道”。

(4) 展示如图1所示的装置，当它处于静止状态时，提问：此时小卡片受到的左右两个拉力，大小相等吗？方向相反吗？作用在同一直线和同一物体上吗？在经历了常规实验的探究后，这一问题不难回答，此时红色指针指在细杆标记处。

(5) 将该装置放到气垫导轨上，提示学生观察，当它开始做匀速直线运动时，观察小卡片上红色指针和细杆标记的相对位置，有没有发生变化？反映了什么问题？

(6) 进行现场演示。考虑到小卡片很小、时间较短、不同方位的同学观察效果不同等因素，笔者还在公开课前拍摄了视频，并做了四倍慢放处理。从演示或视频中可以发现：当该装置做匀速直线运动时，红色指针和细杆标记的相对位置没有发生变化；在装置运动到气垫导轨一端，速度方向改变的瞬间(非平衡状态)，红色指针和细杆标记的相对位置发生明显改变。

(7) 通过对比小卡片静止时的照片和匀速直线运动中的截屏，进行课堂讨论，让学生得出：小卡片在做匀速直线运动时，受到的左右一对拉力大小依然相等。而运动状态改变的瞬间，两根弹簧的伸长量一个变大、一个变小，反映此时两个力大小不再相等。

(8) 最后观察小卡片做匀速运动的情形，在忽略小卡片自重的前提下，引导学生得出左右两个拉力依然满足方向相反、作用在同一直线、同一物体上这三个条件，以完善知识结构。

5 结语

本方案可以让初中学生较为自然地由物体静止时的二力平衡条件，过渡到物体做匀速直线运动的情形中。诚然，在平时教学中，使用气垫导轨可能多有不便，可以考虑采用平稳运行的传送带、匀速直线运动仪等。