利用氣墊導(dǎo)軌演示勻速直線運動中的二力平衡

(南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校，江蘇 南京 210036)

1 引言

“二力平衡”這節(jié)內(nèi)容，是初中學(xué)生在具備了一定的運動和力的知識后，繼續(xù)學(xué)習(xí)力與運動關(guān)系時非常重要的知識。本節(jié)通常包括三方面內(nèi)容：介紹平衡狀態(tài)、二力平衡等基本概念；通過探究得出二力平衡的條件；運用二力平衡的條件，解釋生活中的現(xiàn)象。

2 教學(xué)中的遺憾

查閱現(xiàn)行各版本的初中物理教材，第二環(huán)節(jié)中的探究過程，通常有以下兩種做法：一是以小卡片為研究對象，通過鉤碼提供拉力進行探究；二是以長木板上的小車為研究對象，通過鉤碼提供拉力進行探究。這兩種方案皆可在將第三力(小卡片的自重、長木板對小車的摩擦力)盡量減小并忽略不計的情況下，得出二力平衡的條件。然而到此為止，我們僅僅總結(jié)出的是作用在靜止物體上的兩個力平衡的條件。物體在兩個力作用下做勻速直線運動時，受到的這兩個力是否依然滿足“大小相等、方向相反、作用在同一直線上”的條件呢？

3 實驗設(shè)計的改進

教材中沒有提供實驗方案，在平時的教學(xué)中，也很少且不易進行實驗探究或驗證。而勻速直線運動時的二力平衡又恰恰是學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的一個難點，學(xué)生往往會受到生活經(jīng)驗的誤導(dǎo)。為解決這一略帶遺憾的缺陷，筆者經(jīng)過思考，設(shè)計了可以演示勻速直線運動中的二力平衡的實驗方案，并且經(jīng)過了南京市級公開課的展示及檢驗，取得了較好反響。

實驗進行的背景：是在完成了教材上的常規(guī)實驗，得出了“受到兩個力且保持靜止?fàn)顟B(tài)的物體，它受到的這兩個力滿足大小相等、方向相反、作用在同一直線上、作用在同一物體上”的結(jié)論后進行的。

實驗所需的器材：氣墊導(dǎo)軌裝置一套(含氣源、滑塊兩只)、輕質(zhì)彈簧兩根、輕質(zhì)小卡片一張、筷子一根。

實驗裝置的組合：如圖1所示，在小卡片上畫上紅色指針，將兩根彈簧的一端分別固定在小卡片的左右，另一端分別固定在兩個滑塊上；用細(xì)桿將兩滑塊撐開，使上方兩根彈簧都處于拉伸狀態(tài)，并在細(xì)桿上標(biāo)記出整套裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)時紅色指針?biāo)傅奈恢?，將組合好的裝置擺放在氣墊導(dǎo)軌上。

圖1

4 課堂教學(xué)過程

氣墊導(dǎo)軌是高中物理器材，為了讓初中學(xué)生便于理解，筆者在教學(xué)中進行了如下處理。

4.1 知識鋪墊

在課堂第一環(huán)節(jié)，即介紹“平衡狀態(tài)”時，對氣墊導(dǎo)軌的作用進行必要的簡介。在得出“平衡狀態(tài)”的概念后，請學(xué)生們列舉生活中處于平衡狀態(tài)的物體的實例，教師展現(xiàn)“神奇的軌道”。

(1) 氣源不接通電源，推動滑塊后發(fā)現(xiàn)滑塊很快就停下，引導(dǎo)學(xué)生說明這是因為滑塊受到的阻力很大。

(2) 氣源接通電源后，告訴學(xué)生：“神奇軌道”的表面會向外噴出高速氣流，此時可以將一張小紙條放在氣墊導(dǎo)軌附近，通過觀察紙條的飄動，讓學(xué)生明白，“神奇軌道”確實在向外噴氣，這股氣流可以將滑塊托起，使之與軌道脫離接觸，極大地減小了滑塊受到的阻力，通過此前學(xué)習(xí)過的磁懸浮列車、氣墊船的例子可以幫助學(xué)生理解。

(3) 再次推動滑塊，發(fā)現(xiàn)滑塊能夠長時間保持平穩(wěn)的速度在軌道上滑行。此時告訴學(xué)生，滑塊所做的運動非常接近勻速直線運動，也是處于平衡狀態(tài)。

4.2 進行實驗

探究“二力平衡的條件”時，在完成課本常規(guī)實驗的基礎(chǔ)知識上，利用氣墊導(dǎo)軌裝置，探究物體做勻速直線運動時的二力平衡。

(1) 提問：通過對靜止的小卡片進行的這一系列探究，我們能否說，已經(jīng)得到了二力平衡的條件了？如果學(xué)生回答“能”，則繼續(xù)引導(dǎo)：“平衡狀態(tài)只有靜止這一種嗎？”學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)對勻速直線運動的情況尚未探究。

(2) 提問：如何讓小卡片做勻速直線運動？如果有學(xué)生回答：可輕推支架上的小卡片，使其獲得一個初速度。則不妨讓學(xué)生嘗試一下，會發(fā)現(xiàn)小卡片由于受到阻力，很快就會停下。

(3) 提問：教室里有什么器材可以達(dá)到使物體做勻速直線運動的目的？有了前面的鋪墊，會有學(xué)生想到“神奇的軌道”。

(4) 展示如圖1所示的裝置，當(dāng)它處于靜止?fàn)顟B(tài)時，提問：此時小卡片受到的左右兩個拉力，大小相等嗎？方向相反嗎？作用在同一直線和同一物體上嗎？在經(jīng)歷了常規(guī)實驗的探究后，這一問題不難回答，此時紅色指針指在細(xì)桿標(biāo)記處。

(5) 將該裝置放到氣墊導(dǎo)軌上，提示學(xué)生觀察，當(dāng)它開始做勻速直線運動時，觀察小卡片上紅色指針和細(xì)桿標(biāo)記的相對位置，有沒有發(fā)生變化？反映了什么問題？

(6) 進行現(xiàn)場演示。考慮到小卡片很小、時間較短、不同方位的同學(xué)觀察效果不同等因素，筆者還在公開課前拍攝了視頻，并做了四倍慢放處理。從演示或視頻中可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)該裝置做勻速直線運動時，紅色指針和細(xì)桿標(biāo)記的相對位置沒有發(fā)生變化；在裝置運動到氣墊導(dǎo)軌一端，速度方向改變的瞬間(非平衡狀態(tài))，紅色指針和細(xì)桿標(biāo)記的相對位置發(fā)生明顯改變。

(7) 通過對比小卡片靜止時的照片和勻速直線運動中的截屏，進行課堂討論，讓學(xué)生得出：小卡片在做勻速直線運動時，受到的左右一對拉力大小依然相等。而運動狀態(tài)改變的瞬間，兩根彈簧的伸長量一個變大、一個變小，反映此時兩個力大小不再相等。

(8) 最后觀察小卡片做勻速運動的情形，在忽略小卡片自重的前提下，引導(dǎo)學(xué)生得出左右兩個拉力依然滿足方向相反、作用在同一直線、同一物體上這三個條件，以完善知識結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

本方案可以讓初中學(xué)生較為自然地由物體靜止時的二力平衡條件，過渡到物體做勻速直線運動的情形中。誠然，在平時教學(xué)中，使用氣墊導(dǎo)軌可能多有不便，可以考慮采用平穩(wěn)運行的傳送帶、勻速直線運動儀等。