“动能 势能 机械能”实验的改进

(江苏省常州市常州外国语学校,江苏 常州 213031)

1 探究影响动能大小的因素：斜面实验

课本设计的实验利用小车从斜面下滑撞击木块，通过木块滑行距离体现小车动能大小，并进一步探究“动能大小与物体质量和运动速度的关系”。设计思路简单合理，学生操作也方便。但在实际实验中发现：小车下滑撞击木块的轨迹会发生变化，稳定性不够，原因如下：(1) 同一辆小车前后两次下滑，由于受到斜面平整度、摩擦力等因素的影响会使其运动方向发生改变；(2) 运动方向发生改变会导致小车撞击木块时撞击部位的变化；(3) 木块受撞击部位和水平面粗糙度的不同，导致不能确保其运动方向为直线，从而影响实验测量与比较。

针对实际操作中出现的问题，笔者改进了实验，需要的实验器材有：斜面、包边卡条、质量不同的金属小球、圆形木棍。

改进的思路是：(1) 为提高撞击的稳定性，利用家装材料中的包边卡条在斜面上安装轨道，连接到水平桌面上(如图1)。(2) 用金属小球代替小车从轨道中下滑，用圆形木棍代替木块放置于水平轨道的一端，小球撞击木棍，推动木棍在水平轨道中移动，从而进行探究。

通过改进实验，发现此设计存在以下优点：(1) 借助于包边卡条做成的轨道，小球和木棍的运动轨迹清晰，路径确定，避免了摩擦力和接触面平整度的影响，提高了探究的有效性；(2) 借助于轨道的约束，确保小球撞击木棍过程中撞击位置相同，进一步排除其他影响因素，控制潜在变量，提高了探究的可靠性；(3) 选择合适的金属小球和圆形木棍，结合两种材质的特点，使之发生完全非弹性碰撞，小球能够推着木棍运动，使学生感受到做功的过程，凸显能量的概念；(4) 做好的轨道也便于学生进行测量，实验更加准确可靠。

图1

2 利用测速仪验证速度问题

在探究“质量对动能大小的影响”过程中，应控制撞击瞬间速度相同，课本中“信息快递”说明：质量不等的小车从斜坡的同一高度释放，运动到水平面时，它们的速度大小相等。由于涉及高中物理知识，初中阶段无法给出理论推导，但实际演示时又难免出现偏差，给学生造成了一些认知困难，很多时候教师在讲解时也是一带而过，或是硬性灌输知识，效果往往不佳。

笔者在斜面和水平轨道衔接处安装数字化测速仪(如图2)，测量小球进入水平面时的初速度，通过数据强化学生对于该知识点的认知，突破传统实验教学的局限，帮助学生攻克该实验的认知难点，使学生知道：在斜面的同一高度释放物体，可使不同质量的物体获得相同的水平速度。同时，借助于测速仪，还可以

进一步测量数据，验证同一物体在斜面释放的高度越高，进入水平面时速度越大等结论。

图2

图3

3 探究影响重力势能大小的因素：打桩实验

在课本的探究“重力势能大小影响因素”的实验中，利用重物自由下落撞击桩(小桌子)，观察桩在沙坑中下陷的程度来反映重力势能的大小。类似于斜面实验，在实际操作过程中也存在稳定性问题，如重物下落轨迹不稳定、撞击面容易发生偏差、小桌子下陷时倾斜等。

笔者也对此进行了改进，需要的实验器材有：长短不同的PVC透明塑料硬管、花泥、质量不同但大小相同的圆柱形金属块(如图3)。

利用PVC透明塑料硬管给重物提供下落轨道，把撞击小桌子改成直接撞击花泥，通过观察花泥的下陷程度反映金属块的重力势能大小，操作简单，现象更加清晰，对比更加明显。不过此设计也存在一些问题，比如在实验过程中无法实现连续改变管子的长短，对比次数较少；花泥使用后下陷不能恢复，不能反复使用。

4 结语

物理教学离不开实验探究，结合实际教学，如何优化实验设计，使实验更直观、更具有可操作性、更易于学生理解，需要我们不断尝试。