“阻力对物体运动的影响”演示实验的改进

陈丹蓉 郑渊方

摘 要：“牛顿第一定律”在初中物理教学中占有重要地位，演示实验“阻力对物体运动的影响”是这节课的重难点.从实际教学中我们发现，该实验存在实验现象分离，效果不直观，操作繁琐等不足.对此，利用共面导轨组、三孔挡板及轻质小球对该实验进行改进.改进后的装置能帮助学生突破障碍，顺利得出阻力与物体运动的关系.

关键词：自制教具;牛顿第一定律;实验;改进

文章编号：1008-4134（2019）22-0019 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

1 引言

现行的6种初中物理教材在牛顿第一定律一节中均设置了一个重要的实验“阻力对物体运动的影响”[1].通过让学生观察小车在不同粗糙面上具有不同的运动状态（不同的距离和不同的速度变化），进而引导学生推理得出“若小车不受外力作用，小车将保持原有运动状态一直运动下去”的结论，由此完成关于“牛顿第一定律”的核心思想的构建[2].而教学实践表明，该演示实验未能达成预期的教学效果，对此我们结合教学实践对该实验进行了改进，取得了良好的教学效果.

2 教材实验

2.1 实验器材

主要器材有：斜面、小车、刻度尺、木板、棉布、毛巾.

2.2 实验方法

如图1所示，教师分三次将小车从同一斜面同一高度静止释放，分别滑到铺有毛巾、棉布和木块的水平面上，学生比较小车在不同水平面上的运动距离，得出“阻力越小，物体运动的距离越远”的结论;比较小车停下来（即小车到达平面时的初速度由v0减为0）所用时间长短，得出“阻力越小，物体运动的速度变化越慢”的结论[3].接着，教师以有限的实验现象为垫脚石，引导学生推理得出“若小车不受外力作用，小车将保持原有运动状态（运动距离无限长和速度不变）”的结论.进而顺利引出“牛顿第一定律”.

3 教材实验的不足

实验效果不直观.阻力对物体运动的影响主要有两方面：距离和速度变化.按照教材的实验操作，学生能通过实验现象顺利得出阻力对物体运动的影响，但难以比较物体的速度变化快慢[4].原因在于，操作被分成三次进行，实验现象分离.学生难以对发生在不同時间内的小车的速度变化快慢进行比较.有的教师通过记录小车停下来所用的时间来描述小车的速度变化，这一方法虽有效帮助学生比较小车的速度变化情况，但给操作带来了新的负担.

实验操作繁琐：操作中，为了提供不同粗糙程度的导轨就要多次更换接触面材料;为了确保小车每次都从同一高度释放，就要画标记;为了比较小车运动的速度变化，就要记录小车停下来的时间.繁琐的实验操作大大降低了课堂效率.

实验操作不严谨：物体的释放由教师手动进行，手容易对物体施加某一方向的初速度，从而导致物体进入斜面的初速度大小或方向不相同.

实验现象不稳定：在实际操作中由于导轨两侧没有护栏，小车的方向稍有偏差便会驶离导轨;另外，接触面材料的更换易造成材料与斜面之间形成窄小的“凹槽”，这个“凹槽”常使小车车轮被卡住.这些因素经常阻碍了实验和教学的顺利进行.

4 实验改进思路

如图2所示，将三个导轨呈现在同一个演示板上，让物体的三次运动同时进行，使实验现象不再分离.实验时三个物体同时进入导轨，学生只需将视线集中于导轨末端（物体停下来的位置），便能清楚观察到“毛巾上的物体速度最先减为零，其次是木板上，最后是玻璃上”的实验现象，进而顺利得出“阻力越小，物体运动的速度变化越慢”的实验结论.

利用三孔挡板控制物体的释放.三孔挡板的孔间距等于导轨间距，挡板恰好能嵌在三个斜面上.操作时只需将三孔挡板沿垂直于演示板平面的方向迅速抽离，就能获得三个小球同时从相同高度静止被释放的效果.

用体积适中的轻质小球代替小车.为防止小球被“凹槽”卡住，小球的直径应尽可能大于凹槽.

将导轨略微向内倾斜地安装在演示板上.如图3所示，为了让物体的运动不脱离导轨，安装导轨时可使导轨与展示板间的夹角小于九十度，从装置的侧面看小球像被嵌在“V”形轨道中.如图4所示小球运动时始终受到来自导轨斜向上的支持力N，这个支持力有效保障小球不脱离导轨.

5 实验器材的制作

5.1 制作材料

100cm×80cm的泡沫板2块，直径为4cm的泡沫小球3个，泡沫专用胶1瓶，普通胶水1瓶，小刀1把，刻度尺1把.

5.2 制作方法

用小刀裁剪其中1张泡沫板制成3条6cm×100cm的轨道;用普通胶水在三条水平导轨上分别粘上薄毛巾、薄木板和玻璃纸;用泡沫专用胶将三条轨道等间距平行安装在演示板上;用刻度尺量取轨道间距作三孔挡板的孔距，取剩下的泡沫板制成三孔挡板.

6 实验器材的使用方法

如图5所示，实验开始前将三孔挡板垂直安插在斜面上，三个小球分别放在挡板左侧.教师迅速抽离挡板，同时释放三个小球.

学生观察小球停下来的先后顺序，获得阻力对小球运动速度变化的影响;学生观察小球运动的距离，获得阻力对小球运动距离的影响.引导学生依次填写表1的第1-3行的“实验”.

教师根据实验结果，引导学生进一步推理得出小球在绝对光滑平面上的运动情况，并填写表1第4行的“推理”，并得出“若小车不受外力作用，将保持原有运动状态一直运动下去”的推论.

分析实验过程及表格，构建理想实验思想，得出牛顿第一定律.

7 实验改进后的特点

实验现象直观.将三个导轨呈现在同一展示板上突破了观察障碍，使学生能直观地看到“阻力越小，小球越慢停下来”的实验现象.

实验操作简洁.利用三孔挡板同时释放三个小球，既释放了教师的手，又提高了教学效率.

实验现象稳定.体积适中的小球和略微倾斜的导轨共同帮助小球顺利向前运动，减小了偶然因素对实验的影响.

参考文献：

[1]占晨达.6种教材“牛顿第一定律”的编排对比和教学研究[J].实验教学与仪器，2016，33（11）：3-6.

[2]人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理（八年级下册）[M].北京：人民教育出版社，2013.

[3]刘友余.“探究阻力对物体运动的影响”实验改进建议[J].湖南中学物理，2013，28（10）：53-54.

[4]冯锡来.“阻力对物体运动的影响”演示实验的改进[J].实验教学与仪器，2018，35（10）：24-25.

（收稿日期：2019-07-06）