自制“繩、桿、彈簧模型”加放水演示儀

李祖娟

摘? ?要：浮力壓強(qiáng)綜合應(yīng)用是歷年中考?jí)狠S題的?？碱}型，其中圍繞輕繩、輕桿、輕彈簧3個(gè)模型的加水、放水過程分析較為抽象復(fù)雜，學(xué)生對(duì)此類問題的分析感到困難?；诖?，筆者自制教具直觀地演示三個(gè)模型的加放水過程的動(dòng)態(tài)變化，并形成對(duì)比，幫助學(xué)生進(jìn)一步了解繩、桿、彈簧的受力特點(diǎn)。文章將介紹演示儀的制作和演示效果。

關(guān)鍵詞：自制教具;浮力壓強(qiáng)綜合;繩、桿、彈簧模型

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）12-0050-2

1? ? 背? 景

浮力壓強(qiáng)綜合之加水、放水問題是初中物理非常重要的專題，歷年中考題涉及到的放水、加水問題有輕繩、輕桿、輕彈簧三個(gè)模型，此類問題考查了學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察、受力分析、模型構(gòu)建與運(yùn)用數(shù)學(xué)工具等物理核心能力，本身具有一定的綜合性。而學(xué)生對(duì)三者加放水過程中的變化規(guī)律和受力特點(diǎn)把握得不是很清晰，對(duì)此類問題的分析容易混淆，似懂非懂。因此，筆者設(shè)計(jì)并制作了“繩、桿、彈簧模型”加放水演示儀，將三者的加放水過程的動(dòng)態(tài)變化直觀地演示出來，并形成對(duì)比，幫助學(xué)生進(jìn)一步了解繩、桿、彈簧的受力特點(diǎn)。

2? ? 儀器制作

（1）準(zhǔn)備三個(gè)相同的邊長(zhǎng)為8 cm的正方體木塊，將兩個(gè)正方體木塊分別從正中心打出直徑為1 cm的貫穿孔，并用砂紙打磨光滑待用。第三個(gè)木塊一面的正中心打一個(gè)深度約為2 cm、直徑小于1 cm的小孔。

（2）按圖1（b）用透明亞克力板組裝儀器正面、側(cè)面和內(nèi)部的三個(gè)隔間，尺寸如圖1（a）所示，用406膠水粘合固定。

（3）安裝第一個(gè)隔間（木塊+細(xì)繩）：第一步先在儀器底部粘一片邊長(zhǎng)為2 cm的方形有機(jī)玻璃片，在玻璃片中心固定一個(gè)直徑為0.8 cm、長(zhǎng)為28 cm的有機(jī)玻璃細(xì)棒，緊挨玻璃棒處固定一顆大頭針。第二步在打有貫穿孔的木塊上緊靠孔處打進(jìn)一顆連有尼龍線的針并固定，再將木塊的孔穿進(jìn)固定好的有機(jī)玻璃棒，注意木塊連線的一面朝下。最后將尼龍線另一端系在儀器底部的大頭針上，把握線長(zhǎng)度，最終使木塊底部到儀器底部部分的細(xì)線長(zhǎng)度約為10 cm。

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（a）

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（b）儀器正面? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（c）儀器背面

圖1? 儀器結(jié)構(gòu)圖

（4）安裝第二個(gè)隔間（木塊+細(xì)桿）：先將原長(zhǎng)為12 cm、直徑為1 cm的有機(jī)玻璃細(xì)棒（輕桿）旋進(jìn)打有2 cm深小孔的木塊，調(diào)節(jié)長(zhǎng)度使細(xì)桿剩余長(zhǎng)度為10 cm。再在儀器底部粘一片邊長(zhǎng)為2 cm的方形有機(jī)玻璃片，把連有木塊的細(xì)桿固定在有機(jī)玻璃片中心。

（5）安裝第三個(gè)隔間（木塊+2個(gè)相同彈簧）：同理，先在儀器底部用膠水并排固定兩個(gè)相距5 cm的小有機(jī)玻璃片。第一個(gè)有機(jī)玻璃片上先固定直徑為0.8 cm、長(zhǎng)為28 cm的有機(jī)玻璃棒，用螺絲釘將彈簧（勁度系數(shù)為2 N/cm，金屬絲直徑為1 mm，彈簧橫截面直徑為20 mm）一端固定在貫穿孔木塊有孔一面的中心處。再將固定好的有機(jī)玻璃棒穿過彈簧中央和木塊貫穿孔。最后把彈簧另一端用膠水固定在儀器底部的有機(jī)玻璃片上。第二個(gè)有機(jī)玻璃片直接用膠水固定一個(gè)相同的彈簧即可。如圖1（b）儀器正面圖所示。

（6）儀器背面使用白色有機(jī)玻璃板，在白色有機(jī)玻璃板對(duì)應(yīng)三個(gè)隔板背后靠底約2 cm位置處分別安裝好水龍頭，以供放水用。如圖1（c）儀器背面圖所示。最后將背面部分組裝在儀器上面，用玻璃膠在儀器各個(gè)連接處再涂抹一遍，以防漏水。

線模型和彈簧模型中木塊打了貫穿孔，并在其中安裝了一根細(xì)有機(jī)玻璃棒，是為了防止木塊重心不穩(wěn)，加水過程發(fā)生旋轉(zhuǎn)。制作過程中要使木塊孔直徑稍大于細(xì)棒直徑，避免相互摩擦。

3? ? 實(shí)驗(yàn)效果與教學(xué)引導(dǎo)

（1）演示線模型加水過程效果如圖2，能觀察到線模型加水過程中木塊先不動(dòng)，直至恰好漂浮;漂浮后浸入水中的深度不變，并隨水位上升而上升，直到細(xì)線恰好升直;繼續(xù)加水，木塊不再上升。

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圖2? 模型加水過程

教學(xué)過程中學(xué)生可由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察分析容器中水的深度、木塊所受浮力大小、細(xì)線受力情況隨加水體積的變化關(guān)系，并用圖像定性表達(dá)。

（2）演示彈簧模型加水過程中（圖3），注意每一個(gè)階段暫停一下讓學(xué)生觀察。根據(jù)圖3（a）（b）（c）（d）可以發(fā)現(xiàn)，彈簧的長(zhǎng)度隨浮力增大而變化，并引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比觀察兩根彈簧的變化。學(xué)生能夠根據(jù)左邊彈簧長(zhǎng)度與右邊彈簧原長(zhǎng)的對(duì)比判斷出彈簧彈力的方向，進(jìn)而分析出浮力與重力的大小關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)過程及分析能夠很好地幫助學(xué)生體會(huì)浮力的“變”導(dǎo)致彈簧彈力的善“變”，并由圖3（e）中線、桿、彈簧三者的現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比后對(duì)“線的力變化在于大小變，方向不變，桿的力大小變，方向也善變;彈簧不僅力的大小和方向善變，自身長(zhǎng)度也會(huì)變”這一本質(zhì)把握得更深刻。這一過程性學(xué)習(xí)活動(dòng)是有利于學(xué)生受力分析能力的提升和物理模型的有效建構(gòu)。

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（a）? ? ? （b）? ? ? （c）? ? ? （d）? ? ? ? ? ? ? ? （e）

圖3? 實(shí)驗(yàn)過程圖

4? ? 反? 思

該儀器演示浮力壓強(qiáng)綜合之“繩、桿、彈簧模型”加放水過程的動(dòng)態(tài)變化是比較清晰、明顯的，化抽象為具體，幫助學(xué)生突破“繩、桿、彈簧模型”加放水專題因抽象、復(fù)雜帶來的困難。另一方面，筆者認(rèn)為實(shí)驗(yàn)在專題復(fù)習(xí)課中的有效使用能夠激發(fā)學(xué)生的興趣，有利于學(xué)生把握規(guī)律、構(gòu)建模型。因此，在復(fù)習(xí)課教學(xué)中一些重難點(diǎn)突破上，我們依然可以考慮和嘗試實(shí)驗(yàn)的可行性。（欄目編輯? ? 王柏廬）