创新研发自制教具，提高物理教学质量——以过山车模型为例

文∣王明玉

法国科学方法论学者阿雷说:“科学的基本活动,就是探索和制定模型。”这个观点也适用于物理教学的基本活动。过山车模型是圆周运动和机械能守恒定律重要的综合模型，在高中物理知识中占有极其重要的地位。在教学中教师通常会使用实验室里的过山车模型作为演示实验，激发学生的兴趣。然而，现有的教具形式较为单一，从整体上来看还是不够完善。为了改善此种情况，教师可研发自制教具，丰富物理教具的形式，拓展教学内容，为学生学习物理知识提供更加全面的支持，调动学生的物理学习兴趣，创造性地进行实验教学工作，提高物理教学质量。

一、实验室常见的过山车模型

实验室常见的过山车模型通常为双线轨道(如图1)或铝制轨道(如图2)，教师演示时，让小球从某一高度开始下滑实验中，学生观察到，当小球起始高度较小时，无法通过圆环最高点；当小球起始高度较大时，可以通过圆环最高点。

图2

图3

此常见实验仪器操作简单，效果明显，能很好地激发学生的兴趣，引导学生提出问题。但在做演示实验时，需要架高支架才能有较好的展示视野，且支架固定不能变化；此外，该双线轨道过山车模型摩擦力较大。

二、根据教学需要，创新研发过山车模型教具

(一)自制两环过山车模型

在实际教学中，笔者利用PVC电线槽的盖子自制过山车，如图4所示。材料选择如图5所示。

图4

图5

教学过程中，当小球运动时，学生可以看到自制的两环过山车轨道在微微晃动，能够直观感受到轨道受球的压力，理解轨道和球之间的弹力，这有助于学生对球做受力分析。改进后的实验材料简单易得，造型多变，可塑性强。单环、两环、多环，甚至制作成一个“大型”的模拟过山车游乐场。学生还可以探究如何设计模拟过山车游乐场，怎样才能让球可以顺利地通过多环过山车，猜想并计算圆环半径和小球下滑高度关系并验证，这极大地开发了学生的思维。但该改进装置同时也有一定的缺点，材料较难固定，需要多人合作固定或制作固定板。而且，材料很难弯成正圆，容易折坏而变形。

(二)可吸黑板的过山车模型

由于自制两环过山车模型存在一定的缺陷，我们又进一步探索了可吸黑板的过山车模型。材料选取可弯曲铝合金窗帘轨道(约2米)及侧装配件、磁铁、小钢球(也可用玻璃珠代替)，如图6所示。

图6

可吸黑板的过山车模型具有可塑性强，弯曲后能固定成型等特点，制作模型时无需他人协助，且使用方便，可吸附在带磁性或铁质的黑板上，甚至是铁门等只要在模型磁铁处有对应的铁质材料即可固定，侧装配件位置可移动。此外，该模型无支架，造型可多变，可以通过调整轨道高低来进行探究，如图7所示。

图7

但可吸黑板的过山车模型也存在一定不足。虽然是柔性窗帘轨道，手动可以掰弯，但还是比较困难，且手工绕制的轨道难以做到正圆，也不能按半径要求去绕制，绕错了难以更改。

三、模型在教学中的应用

(一)竖直平面上的圆周问题

在进行竖直平面的圆周运动时，教师首先播放游乐园的过山车视频，向学生提出问题：通过最高点时人会不会掉下去或被甩出去(如图8)？在此问题中，主要探究圆周运动的最高点和最低点。

图8

待学生回答完问题后，教师进行可吸黑板的过山车模型演示，让学生观察：小钢球要么过不了圆环最高点；要么过得了最高点却在“拱桥”最高点飞了出去。此步骤让学生有意识的“建模”，即建立过山车模型。

教师向学生提出任务：小球如何顺利通过最高点。

学生思考物体能做圆周运动的关键是要有外力充当向心力，让物体持续绕着圆心做圆周运动；物体做竖直平面圆周运动时，是怎样的力充当向心力，使物体做圆周运动呢？

教师引导学生分析在临界点，小球的状态。提出任务情景“顺利通过圆环最高点”。教师出示例题1。

【例题1】

如图9所示，一质量为m的小球，在半径为R光滑轨道上，使其在竖直面内作圆周运动。

①小球是做匀速圆周运动吗？

②小球在运动过程中，受到哪些力的作用？

③小球能在竖直平面内作圆周运动，在最高点和最低点时，向心力由什么力提供？

④若小球通过最高点时速度比较小，只是恰好能通过最高点，则这个速度是多少？

图9

教师再出示例题2让学生了解第二种模型：顺利通过拱桥最高点。

【例题2】

如图10所示，一质量为m的小球，通过光滑拱桥，最高处圆弧半径为R，则：

①小球在运动过程中，最高点受到哪些力？

②若小球通过最高点时速度比较小，只是恰好能通过最高点，则这个速度是多少？

③若小球通过最高点时速度比较大，又不会飞出去，则这个速度不能超过多少？

图10

通过例题1和例题2的引入，教师引导学生探索在可吸黑板的过山车模型中，改变小球放置的位置，会影响小球通过最高点的速度，也会影响实验结果。探索时可以进行测量，定量计算，验证和结果讨论。

(二)机械能守恒问题

教师出示例题3，让学生在自制过山车模型上实验。

【例题3】

一质量为m的小球从光滑轨道高h处从静止开始下滑，轨道圆环半径为R，则h多大时小钢球滑下后做如下运动：

①小钢球能够通过最高点并沿整个轨道安全运动；

②小钢球将在轨道下半环来回往复运动，且起点与终点高度位于同一水平线上；

③小钢球将在轨道上半环某一点以斜上抛的运动方式脱离轨道。

图11

四、结束语

一件好的自制教具可以引领整节课的问题或是整个知识体系的问题，可以从情景导入、建模、使用自制教具，让学生进行探究，并在自制教具上进行试验验证，分析理论值与测量值，进行误差的讨论，最后得出一些关键问题和知识点，整个过程很大地激发了学生的学习兴趣和热情。体验式的、任务式的教学也能让问题探究更加直观形象，从建模到分析，都很好地体现和践行了对学生的物理核心素养的培养，极大地提高了教学质量。