“質點在平面內的運動”演示實驗設計的改進

笪　敏　周國平

在演示“質點在平面內的運動”實驗時,每次實驗都需要倒置才能使蠟塊重新上浮,并且在水平方向用手直接移動,難以做到勻速運動,實驗效果不理想。筆者在教學過程中對實驗裝置進行改進,并在實驗中設計“分運動的獨立性”探究這一環(huán)節(jié),通過課堂教學實踐,效果良好。

“蠟塊在玻璃管中的運動”實驗是“質點在平面內的運動”中重要演示實驗。蠟塊實驗(圖1)演示方便、操作簡單,能夠直觀地讓學生觀察到平面內質點的曲線運動,可以作為很好的新課引入,同時還可以作為探究蠟塊的運動性質的實驗。但是,該實驗裝置在具體操作時存在2個問題:一是每次實驗都需要倒置才能使蠟塊重新上浮,不僅操作麻煩,也使2個方向的運動產生不必要的干擾;二是實驗中水平方向用手直接移動,受人為的影響太大,而氣墊導軌在很多學校都因成本太高而沒有條件配備。

因此,筆者對該實驗裝置進行改進,改進后的演示儀器不僅解決了上述問題,而且儀器制作簡單,實驗裝置在一般的高中學校的實驗室中都能找到,成本低,實驗效果比較理想。

實驗儀器的選取與制作

玻璃管在化學實驗室選取一根酸式滴定管,長約80 cm,內徑約1 cm。

紅蠟塊用買來的紅蠟燭仔細切割成圓柱形,要注意邊緣要切割光滑而且要剛好和玻璃管的內徑吻合,這樣就能保證蠟塊在上浮的時候基本不會晃動。

巧妙使用縫衣針為了便于控制蠟塊和避免玻璃管中出現(xiàn)的氣泡(在進行封口的時候總是有氣泡難以排除)干擾效果,可以在紅蠟塊中間插入一根縫衣針,以便通過磁鐵將蠟塊從頂端移至下端,這樣設計,可以避免將玻璃管來回倒置,即使有氣泡也不受影響。筆者原本以為很輕易就可以完成插入縫衣針的工作,結果發(fā)現(xiàn)針剛插入一點,蠟塊周圍就會碎,所以必須先用火把針尖燒紅,再對準蠟塊的正中心快速插入,這樣做出來既美觀又牢固,不必擔心針會脫落。

溶液配置小竅門由于玻璃滴定管的內徑只有1 cm左右,蠟塊的體積比較小,并且蠟塊與玻璃壁之間在運動過程中還有一定的摩擦力,當蠟塊中間有插入的一根針以后,蠟塊會因浮力不夠而無法勻速上浮或者上浮的速度很小,因此,可以用鹽和糖的水溶液來代替純水溶液。如果在嘗試的時候發(fā)現(xiàn)光是用鹽的飽和溶液還無法使蠟塊上浮達到理想的速度,就可以再加入適量的白糖來調配溶液,直到蠟塊達到理想的上浮速度為止。

固定裝置化學實驗室中用于固定滴定管的鐵架臺和鐵夾,為了使實驗更加穩(wěn)定,選取測定勻加速直線運動加速度實驗中的塑料小車。如圖2所示,將鐵架臺用膠帶紙固定在小車上,并讓小車在金屬導軌上通過繩子由沙桶牽引運動。

沙桶選擇沙桶而不用勾碼的原因:沙桶的質量很容易控制,實驗前只要通過控制沙子的量就可以控制使小車大致勻速或者是勻加速(由于每次放置儀器的桌面水平度會略有不同,所以上課前課間10分鐘要完成調試工作)。

紅色標記線實驗中只研究紅蠟塊在這2根標記線之間的運動情況,這樣可以避免浮體由靜止開始做變加速運動過程的影響。

磁鐵用于控制紅蠟塊的位置。

秒表用于探究分運動的獨立性。

課堂演示實驗過程的設計

實驗一 引入新課

實驗方案一:先使蠟塊豎直上浮,小車不動,提問學生,學生觀察后得出,蠟塊大致勻速上浮。當蠟塊上浮至最高點靜止后,再釋放小車,使玻璃管水平運動,學生觀察后也可得出紅蠟塊大致是在水平方向勻速運動。最后使蠟塊上浮的同時釋放小車,問小車究竟是做什么樣的運動?

學生會考慮到,此時光用眼睛看,根本無法解決問題。教師此時設計問題,逐步引導學生先定性分析蠟塊的運動性質。問題1:蠟塊大致朝哪個方向運動?(大致朝右上方運動)問題2:蠟塊參與了哪些運動?(水平和豎直都有參與)問題3:蠟塊的實際運動和它參與的2個方向的運動在時間上有什么關系?(通過實驗的演示,學生可以自主分析出等時性)問題4:蠟塊在豎直方向上的運動會受到水平方向運動的影響嗎?(此時學生的意見就無法統(tǒng)一,教師引導學生設計實驗方案來探究這一問題)

實驗二 探究物體運動的獨立性

實驗方案二:通過測量3個時間,比較3個時間的大小,這3個時間分別是:1)玻璃管靜止時,測出蠟塊在2根標記線間運動的時間T1;2)蠟塊上浮的同時,使小車在水平方向上做勻速運動,測出蠟塊在2根標記線間運動的時間T2 ;3)給沙桶增加重量,使蠟塊上浮的同時,使小車在水平方向上做加速運動,測出蠟塊在2根標記線間運動的時間T3。

實驗過程中,給學生分發(fā)計時秒表,讓學生來測量2次的時間,讓學生在探究活動中體驗成功的喜悅。如果T1、T2、T3在實驗誤差允許的范圍內近似相等,則可以說明蠟塊在豎直方向上的運動不受水平方向上的運動影響。由此可以得出分運動的獨立性。

設計探究過程說明:在探究具體軌跡之前先定性分析很有必要。因為平面直角坐標系中探究軌跡和速度時必須要用到等時性和獨立性,所以必須在定性地分析過蠟塊的運動后,才可以引導學生在平面直角坐標中理論上解決軌跡和速度的問題。

本節(jié)課借助蠟塊演示實驗,先給學生一個直觀的印象,然后在該實驗的基礎上定性地探究蠟塊的運動性質,最后借助數(shù)學方法在平面直角坐標內進行理論的定量分析。演示實驗過程中,學生參與度高,氣氛活躍。從課后反饋的信息來看,學生理解和掌握知識的情況良好。

(作者單位:1 浙江省孝豐高級中學;2 浙江省安吉高級中學)