浅析物理教学中一物多用之木架篇

2019-01-03江苏省高邮第一中学225600

中小学实验与装备 2018年6期

关键词：线槽铁球木制

江苏省高邮第一中学(225600) 于淼

低成本创新实验非常有利于物理课堂教学,可在很大程度上提高学生学习物理的兴趣。教学中教师利用同一实验器材设计出许多物理实验,充分发挥某一实验器材的作用,笔者平时十分注重这方面的研究。本文简述了利用木架设计的6个实验以供读者参考。

1 研究重力势能和动能的相互转化

实验器材：木制架、铁球、乒乓球、2根1m长细绳、米尺、水平仪。

图1 实验装置1

实验过程：如图1所示,用细绳连接铁球并悬挂于木制架上,将米尺固定在木制架的适当位置(比铁球运动的最低点高出8cm左右)并保持水平(可以用水平仪检测),将铁球拉到米尺的某一位置A静止释放,可以看到铁球将运动到米尺左侧对称的位置A′。可以适当改变米尺离铁球运动最低点的高度,再次实验,可以得到相同的结论。若在悬挂点下方放一个铁钉(碰铁钉前后,细绳的长度不同),在A点释放铁球还会运动到对称的位置A′(说明细绳的长度对结论没有影响)。如果将铁球换成乒乓球则不会运动到对称点,且运动高度总是低于对称点。

实验结论：铁球在运动的过程中,铁球的重力势能和动能相互转化,铁球能运动到对称点说明铁球在运动过程中重力势能和动能的总和是保持不变的即机械能守恒。乒乓球运动过程中重力势能和动能也相互转化,不能运动到对称点,说明乒乓球的机械能不守恒。其原因是：铁球运动的过程空气阻力与其重力相比可以忽略,只有重力做功,所以机械能守恒；而乒乓球所受的空气阻力与其重力相比不可以忽略,有重力和空气阻力做功,所以机械能不守恒。

2 研究弹性势能和动能的相互转化

实验器材：木制架、铁球、2根相同的弹簧、1m长的细绳、水平仪。

实验过程：如图2所示,用细绳连接铁球并悬挂于木制架上,将2个弹簧连接铁球并固定在木制架上(2个弹簧水平旋转),将铁球拉到A点(细线与竖直方向的角度很小,一般小于5°)放手后能在水平面上运动,可以发现铁球能运动到对称的A′点。稍微改变A的位置,铁球还是能运动到对称的A′位置。

图2 实验装置2

实验结论：铁球在运动的过程中,弹性势能和动能相互转化,铁球能运动到对称的A′点,说明弹性势能和动能总和不变(只有弹簧弹力做功),即机械能守恒。

3 研究弹性势能、重力势能和动能的相互转化

实验器材：木制架、不同质量的铁球、1根弹簧、塑料管(50cm)、细线、水平仪。

实验过程：如图3所示,将弹簧下端固定在木制架上,弹簧上端固定一铁片,使小球能静止在铁片上,将细线连到铁片上,拉细线时可以使弹簧压缩,再将一塑料管套在弹簧上并固定在木制架上。

图3 实验装置3

将一铁球放到铁片上,将弹簧向下拉动一端距离,松手后可以看到铁球被弹起,且弹簧向下拉的距离越大,铁球被弹得越高。若弹簧向下拉动的距离一定时,放入的铁球质量越大,铁球弹起的高度越低。

实验结论：弹簧向下拉动一端距离松手后铁球被弹起的过程中,弹簧的弹性势能将转化为铁球的重力势能和动能,弹到最高点时,弹簧弹性势能全部转化为铁球的重力势能。弹簧向下拉的距离越大,铁球弹得越高,说明弹性势能越大。当弹簧被拉下一段距离时,弹性势能是恒定的,质量大的铁球弹起的高度低,是因为在同一高度质量大的铁球重力势能大。开始时弹簧的弹性势能相同,在最高点时弹簧的弹性势能全部转化为铁球的重力势能,所以质量大的铁球弹起的高度低。

4 研究圆周运动的高度条件

实验器材：木制架、铁球、铁钉、1m长的细绳、米尺。

实验过程：如图4所示,用1m长的细绳连接铁球并悬挂于木制架上,在悬挂点的下方距离悬挂点60cm(即3L/5)处固定一个铁钉。①将铁球拉到(细线拉直)与悬挂点所在的水平面静止释放,可以看到铁球可以通过最高点即做完整的圆周运动；②如果它在悬挂点以下静止释放,铁球不会穿过最高点,并且不能做完整的圆周运动；③若高于悬挂点静止释放,可以看到铁球可以通过最高点即做完整的圆周运动。

图4 实验装置4

实验结论：铁球在铁钉的限制下,将做半径r＝2L/5的圆周运动。要想做完整的圆周运动,铁球在最高点的速度必须大于等于①铁球从悬挂点静止释放时,根据动能定理或机械能守恒可以算出铁球运动到最高点的速度刚好是所以刚好做圆周运动；②若低于悬挂点静止释放,算出运动到最高点的速度小于故铁球不能做完整的圆周运动；③若高于悬挂点静止释放,算出铁球运动到最高点的速度大于故铁球可以做完整的圆周运动。所以铁球做完整圆周运动的条件是,静止释放的高度(释放的高度是指释放点到最低点)至少是圆周半径的2.5倍。

5 研究伽利略斜面实验(物体的运动不需要力来维持)

实验器材：木制架、铁球、PVC线槽。

实验过程：如图5所示,将左侧PVC线槽固定在木制架上,右侧PVC线槽可以放到不同位置(图中1、2、3处),将铁球放到左侧某一位置静止释放(右侧放到1位置),铁球将从线槽滚下,再运动到右侧的线槽上,由于摩擦力的存在,可以看到铁球上升的高度低于释放的高度；将右侧线槽向外移即2位置,再将铁球放到左侧同一位置静止释放,铁球还会运动到右侧的线槽上,铁球上升的高度还是低于释放的高度,但铁球运动到右侧的距离变大；右侧线槽继续向外移即3位置,铁球运动到右侧的距离继续变大；若将线槽完全水平放置,铁球将会一直运动下去。

图5 实验装置5

实验结论：当铁球从左侧同一位置滚下,右侧放得越低,铁球滚过的距离就越大,若不考虑摩擦,铁球都会运动到与左侧等高的位置；若将线槽完全水平放置,由于铁球不能运动到原来的高度,则铁球将在水平面上一直运动下去,不需要力来维持。

6 研究动能定理

实验器材：木制架、PVC线槽(内侧宽度约3.5cm,长约2m)、2 个质量不同的铁球、木块(3cm×3cm×5cm)。

实验过程：如图6所示,将PVC弯成两段,并把PVC线槽固定在木制架上,左侧倾斜,右端水平,将木块放到线槽中(木块始终放在同一位置)。①将同一个铁球放到左侧的线槽中静止释放,如果铁球的释放高度增加,铁球推木块的距离将变长；②如果将不同质量的铁球放置在左侧的相同位置静止释放,则质量大的铁球将木块推动的距离远。

图6 实验装置6

实验结论：铁球从左侧的线槽中静止释放,运动到最低点具有一定的动能,在水平一段铁球将推着木块一起运动且受到摩擦力(此时合力就等于摩擦力),他们在摩擦力的作用下速度逐渐减小到0(合外力做负功,动能减少),即可以定性探究合外力做功和动能变化量的关系。①释放高度越高,最低点的动能越大,铁球推动木块运动的越远,说明摩擦力做功越多,即合力做功越多；②质量越大的铁球,从同一位置释放,到最低点的动能越大,木块运动越远,即合力做功越多。这里可以定性地得到合外力做功越多动能的变化量越大。