江蘇省高郵第一中學(xué)(225600) 于 淼

低成本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)非常有利于物理課堂教學(xué),可在很大程度上提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。教學(xué)中教師利用同一實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)出許多物理實(shí)驗(yàn),充分發(fā)揮某一實(shí)驗(yàn)器材的作用,筆者平時(shí)十分注重這方面的研究。本文簡(jiǎn)述了利用木架設(shè)計(jì)的6個(gè)實(shí)驗(yàn)以供讀者參考。

1 研究重力勢(shì)能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化

實(shí)驗(yàn)器材：木制架、鐵球、乒乓球、2根1m長(zhǎng)細(xì)繩、米尺、水平儀。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置1

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖1所示,用細(xì)繩連接鐵球并懸掛于木制架上,將米尺固定在木制架的適當(dāng)位置(比鐵球運(yùn)動(dòng)的最低點(diǎn)高出8cm左右)并保持水平(可以用水平儀檢測(cè)),將鐵球拉到米尺的某一位置A靜止釋放,可以看到鐵球?qū)⑦\(yùn)動(dòng)到米尺左側(cè)對(duì)稱(chēng)的位置A′?？梢赃m當(dāng)改變米尺離鐵球運(yùn)動(dòng)最低點(diǎn)的高度,再次實(shí)驗(yàn),可以得到相同的結(jié)論。若在懸掛點(diǎn)下方放一個(gè)鐵釘(碰鐵釘前后,細(xì)繩的長(zhǎng)度不同),在A點(diǎn)釋放鐵球還會(huì)運(yùn)動(dòng)到對(duì)稱(chēng)的位置A′(說(shuō)明細(xì)繩的長(zhǎng)度對(duì)結(jié)論沒(méi)有影響)。如果將鐵球換成乒乓球則不會(huì)運(yùn)動(dòng)到對(duì)稱(chēng)點(diǎn),且運(yùn)動(dòng)高度總是低于對(duì)稱(chēng)點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：鐵球在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,鐵球的重力勢(shì)能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化,鐵球能運(yùn)動(dòng)到對(duì)稱(chēng)點(diǎn)說(shuō)明鐵球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重力勢(shì)能和動(dòng)能的總和是保持不變的即機(jī)械能守恒。乒乓球運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重力勢(shì)能和動(dòng)能也相互轉(zhuǎn)化,不能運(yùn)動(dòng)到對(duì)稱(chēng)點(diǎn),說(shuō)明乒乓球的機(jī)械能不守恒。其原因是：鐵球運(yùn)動(dòng)的過(guò)程空氣阻力與其重力相比可以忽略,只有重力做功,所以機(jī)械能守恒；而乒乓球所受的空氣阻力與其重力相比不可以忽略,有重力和空氣阻力做功,所以機(jī)械能不守恒。

2 研究彈性勢(shì)能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化

實(shí)驗(yàn)器材：木制架、鐵球、2根相同的彈簧、1m長(zhǎng)的細(xì)繩、水平儀。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖2所示,用細(xì)繩連接鐵球并懸掛于木制架上,將2個(gè)彈簧連接鐵球并固定在木制架上(2個(gè)彈簧水平旋轉(zhuǎn)),將鐵球拉到A點(diǎn)(細(xì)線與豎直方向的角度很小,一般小于5°)放手后能在水平面上運(yùn)動(dòng),可以發(fā)現(xiàn)鐵球能運(yùn)動(dòng)到對(duì)稱(chēng)的A′點(diǎn)。稍微改變A的位置,鐵球還是能運(yùn)動(dòng)到對(duì)稱(chēng)的A′位置。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置2

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：鐵球在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,彈性勢(shì)能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)化,鐵球能運(yùn)動(dòng)到對(duì)稱(chēng)的A′點(diǎn),說(shuō)明彈性勢(shì)能和動(dòng)能總和不變(只有彈簧彈力做功),即機(jī)械能守恒。

3 研究彈性勢(shì)能、重力勢(shì)能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化

實(shí)驗(yàn)器材：木制架、不同質(zhì)量的鐵球、1根彈簧、塑料管(50cm)、細(xì)線、水平儀。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖3所示,將彈簧下端固定在木制架上,彈簧上端固定一鐵片,使小球能靜止在鐵片上,將細(xì)線連到鐵片上,拉細(xì)線時(shí)可以使彈簧壓縮,再將一塑料管套在彈簧上并固定在木制架上。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置3

將一鐵球放到鐵片上,將彈簧向下拉動(dòng)一端距離,松手后可以看到鐵球被彈起,且彈簧向下拉的距離越大,鐵球被彈得越高。若彈簧向下拉動(dòng)的距離一定時(shí),放入的鐵球質(zhì)量越大,鐵球彈起的高度越低。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：彈簧向下拉動(dòng)一端距離松手后鐵球被彈起的過(guò)程中,彈簧的彈性勢(shì)能將轉(zhuǎn)化為鐵球的重力勢(shì)能和動(dòng)能,彈到最高點(diǎn)時(shí),彈簧彈性勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為鐵球的重力勢(shì)能。彈簧向下拉的距離越大,鐵球彈得越高,說(shuō)明彈性勢(shì)能越大。當(dāng)彈簧被拉下一段距離時(shí),彈性勢(shì)能是恒定的,質(zhì)量大的鐵球彈起的高度低,是因?yàn)樵谕桓叨荣|(zhì)量大的鐵球重力勢(shì)能大。開(kāi)始時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能相同,在最高點(diǎn)時(shí)彈簧的彈性勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為鐵球的重力勢(shì)能,所以質(zhì)量大的鐵球彈起的高度低。

4 研究圓周運(yùn)動(dòng)的高度條件

實(shí)驗(yàn)器材：木制架、鐵球、鐵釘、1m長(zhǎng)的細(xì)繩、米尺。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖4所示,用1m長(zhǎng)的細(xì)繩連接鐵球并懸掛于木制架上,在懸掛點(diǎn)的下方距離懸掛點(diǎn)60cm(即3L/5)處固定一個(gè)鐵釘。①將鐵球拉到(細(xì)線拉直)與懸掛點(diǎn)所在的水平面靜止釋放,可以看到鐵球可以通過(guò)最高點(diǎn)即做完整的圓周運(yùn)動(dòng)；②如果它在懸掛點(diǎn)以下靜止釋放,鐵球不會(huì)穿過(guò)最高點(diǎn),并且不能做完整的圓周運(yùn)動(dòng)；③若高于懸掛點(diǎn)靜止釋放,可以看到鐵球可以通過(guò)最高點(diǎn)即做完整的圓周運(yùn)動(dòng)。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置4

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：鐵球在鐵釘?shù)南拗葡?將做半徑r＝2L/5的圓周運(yùn)動(dòng)。要想做完整的圓周運(yùn)動(dòng),鐵球在最高點(diǎn)的速度必須大于等于①鐵球從懸掛點(diǎn)靜止釋放時(shí),根據(jù)動(dòng)能定理或機(jī)械能守恒可以算出鐵球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的速度剛好是所以剛好做圓周運(yùn)動(dòng)；②若低于懸掛點(diǎn)靜止釋放,算出運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的速度小于故鐵球 不能做完整的圓周運(yùn)動(dòng)；③若高于懸掛點(diǎn)靜止釋放,算出鐵球運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)的速度大于故鐵球可以做完整的圓周運(yùn)動(dòng)。所以鐵球做完整圓周運(yùn)動(dòng)的條件是,靜止釋放的高度(釋放的高度是指釋放點(diǎn)到最低點(diǎn))至少是圓周半徑的2.5倍。

5 研究伽利略斜面實(shí)驗(yàn)(物體的運(yùn)動(dòng)不需要力來(lái)維持)

實(shí)驗(yàn)器材：木制架、鐵球、PVC線槽。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖5所示,將左側(cè)PVC線槽固定在木制架上,右側(cè)PVC線槽可以放到不同位置(圖中1、2、3處),將鐵球放到左側(cè)某一位置靜止釋放(右側(cè)放到1位置),鐵球?qū)木€槽滾下,再運(yùn)動(dòng)到右側(cè)的線槽上,由于摩擦力的存在,可以看到鐵球上升的高度低于釋放的高度；將右側(cè)線槽向外移即2位置,再將鐵球放到左側(cè)同一位置靜止釋放,鐵球還會(huì)運(yùn)動(dòng)到右側(cè)的線槽上,鐵球上升的高度還是低于釋放的高度,但鐵球運(yùn)動(dòng)到右側(cè)的距離變大；右側(cè)線槽繼續(xù)向外移即3位置,鐵球運(yùn)動(dòng)到右側(cè)的距離繼續(xù)變大；若將線槽完全水平放置,鐵球?qū)?huì)一直運(yùn)動(dòng)下去。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置5

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：當(dāng)鐵球從左側(cè)同一位置滾下,右側(cè)放得越低,鐵球滾過(guò)的距離就越大,若不考慮摩擦,鐵球都會(huì)運(yùn)動(dòng)到與左側(cè)等高的位置；若將線槽完全水平放置,由于鐵球不能運(yùn)動(dòng)到原來(lái)的高度,則鐵球?qū)⒃谒矫嫔弦恢边\(yùn)動(dòng)下去,不需要力來(lái)維持。

6 研究動(dòng)能定理

實(shí)驗(yàn)器材：木制架、PVC線槽(內(nèi)側(cè)寬度約3.5cm,長(zhǎng)約2m)、2 個(gè)質(zhì)量不同的鐵球、木塊(3cm×3cm×5cm)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖6所示,將PVC彎成兩段,并把PVC線槽固定在木制架上,左側(cè)傾斜,右端水平,將木塊放到線槽中(木塊始終放在同一位置)。①將同一個(gè)鐵球放到左側(cè)的線槽中靜止釋放,如果鐵球的釋放高度增加,鐵球推木塊的距離將變長(zhǎng)；②如果將不同質(zhì)量的鐵球放置在左側(cè)的相同位置靜止釋放,則質(zhì)量大的鐵球?qū)⒛緣K推動(dòng)的距離遠(yuǎn)。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置6

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：鐵球從左側(cè)的線槽中靜止釋放,運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)具有一定的動(dòng)能,在水平一段鐵球?qū)⑼浦緣K一起運(yùn)動(dòng)且受到摩擦力(此時(shí)合力就等于摩擦力),他們?cè)谀Σ亮Φ淖饔孟滤俣戎饾u減小到0(合外力做負(fù)功,動(dòng)能減少),即可以定性探究合外力做功和動(dòng)能變化量的關(guān)系。①釋放高度越高,最低點(diǎn)的動(dòng)能越大,鐵球推動(dòng)木塊運(yùn)動(dòng)的越遠(yuǎn),說(shuō)明摩擦力做功越多,即合力做功越多；②質(zhì)量越大的鐵球,從同一位置釋放,到最低點(diǎn)的動(dòng)能越大,木塊運(yùn)動(dòng)越遠(yuǎn),即合力做功越多。這里可以定性地得到合外力做功越多動(dòng)能的變化量越大。

7 小結(jié)

利用木架可以做出這么多有趣的物理實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)效果非常顯著,有利于學(xué)生對(duì)相關(guān)物理概念的理解,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。當(dāng)然物理教師可以利用其他的器材做出更多有趣的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),更好地為學(xué)生和自己的教學(xué)服務(wù),追求高效課堂。