“雙斜面實(shí)驗(yàn)”演示儀的研制

鮮雨桐 彭朝陽(yáng)

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

·名師論壇·

“雙斜面實(shí)驗(yàn)”演示儀的研制

鮮雨桐 彭朝陽(yáng)*

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

筆者利用生活中簡(jiǎn)易材料,自制伽利略“雙斜面”實(shí)驗(yàn)器具，以增添教材中“雙斜面”實(shí)驗(yàn)的趣味性。同時(shí)，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展特點(diǎn),進(jìn)一步完善對(duì)該實(shí)驗(yàn)的探究過(guò)程,旨在為“牛頓第一定律”的教學(xué)提供借鑒。

牛頓第一定律；自制教具；雙斜面實(shí)驗(yàn)

1 引言

在“牛頓第一定律”的教學(xué)中，若要轉(zhuǎn)變學(xué)生關(guān)于力與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的錯(cuò)誤前概念：物體的運(yùn)動(dòng)需要力來(lái)維持，伽利略理想“雙斜面”實(shí)驗(yàn)作為重要實(shí)驗(yàn)支撐，對(duì)學(xué)生理解和學(xué)習(xí)就非常關(guān)鍵。在人教版高中物理教材“牛頓第一定律”中只是簡(jiǎn)單介紹了從真實(shí)“雙斜面”實(shí)驗(yàn)到理想“雙斜面”實(shí)驗(yàn)間的邏輯推理過(guò)程，缺少探究過(guò)程，學(xué)生并不能理解“雙斜面”實(shí)驗(yàn)的“理想”之處，雖有潘通(2015)、夏藝娟(2011)、吳暢(2015)等通過(guò)自制“雙斜面”實(shí)驗(yàn)教具，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究，但這些教具還是存在軌道材料不理想、實(shí)驗(yàn)操作受限制等不足之處。筆者通過(guò)自制趣味性“雙斜面”實(shí)驗(yàn)教具，基于學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的探究、推理過(guò)程，幫助學(xué)生理解力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。

2 自制“雙斜面實(shí)驗(yàn)”演示儀

2.1 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)材料：一塊薄木板，兩個(gè)相同的木塊,三根線槽板，一根細(xì)塑料桿，一塊廢棄毛巾，一張表面較為粗糙的薄紙，三個(gè)大小相同的玻璃珠等。

實(shí)驗(yàn)制作如圖1所示：(1) 將三個(gè)線槽板在二分之一處用膠水固定到木板上；

圖1

(2) 使3個(gè)線槽板的左半端與水平面成一定角度，固定在左端木塊上，右端木塊可移動(dòng)；

(3) 將薄紙和毛巾?xiàng)l分別粘在線槽板2、3上；

(4) 將塑料細(xì)桿水平固定在軌道上。

本自制教具的幾個(gè)重要設(shè)計(jì)說(shuō)明如表1。

表1 裝置設(shè)計(jì)說(shuō)明

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)提出問(wèn)題

將同一小球從斜面一端的不同高度自由釋放，引導(dǎo)學(xué)生觀察小球到達(dá)斜面另一端的高度情況，提出問(wèn)題：小球?yàn)槭裁床荒艿竭_(dá)等高的位置？

(2) 做出猜想

啟發(fā)學(xué)生提出所有可能的假設(shè)，然后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)調(diào)查顯示，很多學(xué)生認(rèn)為小球沒(méi)有回到等高點(diǎn)位置的原因可能是傾斜角度和出發(fā)點(diǎn)的位置不同，針對(duì)學(xué)生的分歧，在探究時(shí)就應(yīng)該對(duì)這兩個(gè)猜想也進(jìn)行驗(yàn)證。

學(xué)生提出的猜想主要是以下3個(gè)：(1) 是因?yàn)槌霭l(fā)點(diǎn)的位置不夠高；(2) 是因?yàn)樾泵娴膬A角的不同；(3) 是因?yàn)樾泵鎸?duì)小球有摩擦力的阻礙作用。

補(bǔ)充猜想，再一一排除干擾因素，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)給學(xué)生更多的思考空間和時(shí)間，讓推理更加嚴(yán)謹(jǐn)，從而突破難點(diǎn)。

(3) 驗(yàn)證假設(shè)

在驗(yàn)證猜想時(shí)，要注意控制變量法的運(yùn)用，每次驗(yàn)證的猜想因素為變量，其他因素為不變量。

驗(yàn)證猜想1:保持斜面傾角不變，讓一個(gè)小球在一個(gè)軌道上運(yùn)動(dòng)，改變小球在左邊斜面的出發(fā)點(diǎn)位置，可以發(fā)現(xiàn)出發(fā)點(diǎn)位置越高，小球在另一斜面也會(huì)越高，但是回不到出發(fā)位置高度，從而否定猜想1，但這里需要教師提醒學(xué)生進(jìn)行同次比較，即小球在兩個(gè)斜面的高度必須是同一次運(yùn)動(dòng)的出發(fā)高度和到達(dá)高度；

驗(yàn)證猜想2:讓小球從同一軌道同一位置出發(fā)，不斷移動(dòng)右邊木塊來(lái)改變右邊斜面傾角，發(fā)現(xiàn)當(dāng)右邊斜面傾角不斷增大時(shí)，小球在另一斜面運(yùn)動(dòng)距離會(huì)越短，達(dá)到的高度越高，但卻仍然無(wú)法達(dá)到等高點(diǎn)，從而否定了猜想2；

驗(yàn)證猜想3:通過(guò)讓三個(gè)相同的小球同時(shí)在三個(gè)粗糙程度不同但軌道傾角相同的軌道上進(jìn)行“趣味比賽”，讓學(xué)生比較哪個(gè)小球運(yùn)動(dòng)得最高？從而引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)：在粗糙程度最小的軌道上的小球越接近等高位置，如圖2所示，即摩擦力越小，小球越接近等高位置，于是在此基礎(chǔ)進(jìn)一步推論：摩擦力小到接近零時(shí)，小球就將達(dá)到等高位置，從而證明猜想3是正確的。

圖2

(4) 得出結(jié)論

根據(jù)以上的推理可以證明：如果斜面完全光滑時(shí)，小球無(wú)論從何處出發(fā)，斜面的傾角無(wú)論多大，小球都將達(dá)到等高點(diǎn)的位置。

(5) 合理外推

在上述探究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推論：如果沒(méi)有摩擦，小球無(wú)論從何處出發(fā)，斜面的傾角無(wú)論多大，小球都會(huì)達(dá)到等高位置，所以不斷減小傾角時(shí)，等高點(diǎn)位置會(huì)后移，則小球運(yùn)動(dòng)距離將會(huì)變長(zhǎng)，如果傾角減小為零，那等高位置就會(huì)無(wú)限遠(yuǎn)，那小球?yàn)榱诉_(dá)到等高位置也會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去。運(yùn)動(dòng)的小球在光滑水平面上不會(huì)停下來(lái)，會(huì)一直運(yùn)動(dòng)下去，即物體的運(yùn)動(dòng)并不需要力來(lái)維持。

2.3 實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處

(1) 材料易得，加工方便

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)器材都是生活中易得的材料，并且不需要復(fù)雜的加工技術(shù)，在制作上不會(huì)有太大困難，線槽板的可塑性比鐵軌、鋁軌更好。

(2) 實(shí)驗(yàn)具有趣味性

讓“三個(gè)小球比賽”的趣味實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在好奇心的驅(qū)使下，關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從而引發(fā)思考，而且三個(gè)樣本同時(shí)比較，可以讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加明顯。

(3) 方便調(diào)節(jié)

右邊斜面傾角可變，便于驗(yàn)證猜想2。以表面粗糙程度作為變量時(shí)，用了三種不同材料，可以讓學(xué)生更好地意識(shí)到摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

本自制教具是針對(duì)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和探究實(shí)驗(yàn)的要求而設(shè)計(jì)的，可以使學(xué)生對(duì)伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)有更為直觀的認(rèn)識(shí)，幫助學(xué)生更好地轉(zhuǎn)變前概念。

[1] 潘通,唐龍.《牛頓第一定律》教學(xué)中創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的探索與研究[J].中學(xué)物理(高中版)，2015，(12):7-8.

[2] 夏藝娟.自制教具在《牛頓第一定律》教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育教學(xué)論壇，2011，(29):251-252.

[3] 吳暢.自制教具讓“牛頓第一定律”教學(xué)更精彩[J].物理通報(bào)，2015，(3):63-64.

* 名師簡(jiǎn)介：彭朝陽(yáng)，男，云南師范大學(xué)教授，研究方向?yàn)槲锢碚n程與教學(xué)論和天體物理。