“汽車過橋”實(shí)驗(yàn)教具的制作與應(yīng)用

(江蘇省南京市第十三中學(xué),江蘇 南京 210008)

人教版高中物理必修2第五章第7節(jié)“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”中有汽車過橋的場景,如圖1所示，汽車以一定速度通過拱形橋時(shí),汽車對(duì)橋面的壓力小于自身重力,速度越大對(duì)橋面的壓力越小;汽車以一定速度通過凹形橋時(shí),汽車對(duì)橋面的壓力大于自身重力,速度越大對(duì)橋面的壓力越大。

圖1

此實(shí)驗(yàn)是本節(jié)課的重點(diǎn),也是本章節(jié)不可或缺的一個(gè)演示實(shí)驗(yàn),課程標(biāo)準(zhǔn)中提出學(xué)生要能定量分析汽車通過拱形橋最高點(diǎn)和凹形橋最低點(diǎn)的壓力問題。該實(shí)驗(yàn)源于生活中的場景,在以往的課堂教學(xué)中,通常都是老師展示汽車過拱形、凹形橋的圖片,學(xué)生分析小車的受力情況,從理論上計(jì)算汽車對(duì)橋面的壓力與自身重力的關(guān)系?；蚴峭ㄟ^凹凸橋?qū)嶒?yàn)演示儀,觀察小球通過拱形最高點(diǎn)時(shí)兩根鐵絲之間的距離變化來判定壓力的變化,以上教學(xué)效果均不理想,其原因主要有以下幾點(diǎn):

(1) 汽車過拱形橋、凹形橋源于生活場景,但在日常生活中并不能看到橋面的壓力變化;

(2) 運(yùn)用講授法學(xué)習(xí)進(jìn)行教學(xué)，學(xué)生對(duì)小車進(jìn)行受力分析,僅停留在抽象的理論層面；

(3) 把凹凸橋演示儀應(yīng)用于教學(xué)中,小球通過拱形橋最高點(diǎn)和凹形橋最低點(diǎn)時(shí)兩根鐵絲間的間距變化不明顯。

基于以上原因,筆者自制了實(shí)驗(yàn)教具,實(shí)驗(yàn)效果很好。

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)要能直觀地看到汽車過拱形橋、凹形橋?qū)蛎娴膲毫εc重力的關(guān)系,但汽車對(duì)橋面的壓力不太容易測量,運(yùn)用相互作用力的知識(shí),測量汽車對(duì)橋面的壓力可以轉(zhuǎn)換為測量橋面對(duì)小車的支持力。實(shí)驗(yàn)室中測力的儀器有彈簧測力計(jì)和力傳感器,但在本實(shí)驗(yàn)中這兩種測力原件都不適合測量橋面對(duì)小車的支持力,這一問題可以通過電子秤來解決。電子秤的精度非常高,能夠精確到0.001kg,根據(jù)測出物體的質(zhì)量,需要設(shè)置電子秤中的單價(jià)為9.8元/kg,總價(jià)格即為力的大小,從而解決了測量汽車對(duì)橋面的壓力問題。實(shí)驗(yàn)中讓小車從斜面的不同高度由靜止釋放,高度不同，小車通過橋面的速度就不同,高度越高,汽車通過橋面的速度越大,解決了汽車需以不同速度通過橋面的問題。

2 實(shí)驗(yàn)器材與教具制作

實(shí)驗(yàn)器材為：小車、電子秤、鋁板、PVC發(fā)泡板等。

教具的制作步驟為：

(1) 用PVC發(fā)泡板制作一個(gè)帶有平臺(tái)的斜面(小車從斜面釋放能夠獲得水平速度)以及另一水平平臺(tái),具體尺寸如圖2所示;

圖2

(2) 裁剪鋁板,長度為38cm,寬度為25cm,兩端用力向內(nèi)彎曲,制作拱橋模型;用PVC板分別制作拱形橋和凹形橋的底托(如圖3)。

圖3

3 實(shí)驗(yàn)過程及分析

3.1 汽車通過拱形橋

(1) 將帶有斜面的平臺(tái)、電子秤、底托、拱形橋依次放好,調(diào)節(jié)拱形橋的高度與兩平臺(tái)等高;

(2) 使用電子秤的“去皮”功能,消除拱形橋的重力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響;

(3) 如圖4所示,小車靜止在橋面的最高點(diǎn),設(shè)置單價(jià)為9.80元/kg,電子秤的總價(jià)格即為小車對(duì)橋面的壓力,記錄靜止時(shí)對(duì)橋面的壓力為1.67N;

圖4

(4) 如圖5所示,小車分別從斜面的不同高度由靜止釋放，通過拱形橋,在表1中記錄小車釋放的高度、通過拱形橋最高點(diǎn)時(shí)對(duì)橋面的壓力，并繪制橋面壓力隨小車釋放高度變化關(guān)系圖(如圖6)。

圖5

圖6

高度/m0.260.280.300.32壓力大小/N1.561.511.471.38

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:汽車以一定速度通過拱形橋時(shí)對(duì)橋面的壓力小于自身的重力,速度越大對(duì)橋面的壓力越小。

3.2 汽車通過凹形橋

(1) 將制作的拱形橋上下面翻轉(zhuǎn),換用凹形橋底托,即可將拱形橋變?yōu)榘夹螛?調(diào)節(jié)凹形橋兩端與平臺(tái)等高;

(2) 使用電子秤的“去皮”功能,消除凹形橋的重力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響;

(3) 如圖7所示,小車靜止在橋面的最低點(diǎn),記錄靜止時(shí)對(duì)橋面的壓力為1.67N;

圖7

(4) 如圖8所示,小車分別從斜面的不同高度由靜止釋放,在表2中記錄小車釋放的高度、通過拱形橋最低點(diǎn)時(shí)對(duì)橋面的壓力，并繪制橋面壓力隨小車釋放高度變化的關(guān)系圖(如圖9)。

圖8

圖9

高度/m0.240.260.280.30壓力大小/N1.962.062.152.25

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:汽車以一定速度通過凹形橋時(shí)對(duì)橋面的壓力大于自身的重力,速度越大對(duì)橋面的壓力越大。

4 結(jié)語

通過巧妙設(shè)計(jì)拱形橋和凹形橋模型的實(shí)驗(yàn)教具,現(xiàn)場模擬汽車過橋情境,填補(bǔ)了生活中的圓周運(yùn)動(dòng)在教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)空白,老師無需通過圖片進(jìn)行理論講解,學(xué)生也無需僅憑生活情境抽象記憶。通過該實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以清晰地觀察到汽車通過拱形橋、凹形橋時(shí)對(duì)橋面的壓力與汽車自身重力的關(guān)系,以及汽車通過橋面的速度與汽車對(duì)橋面的壓力之間的關(guān)系?，F(xiàn)場實(shí)驗(yàn)演示直觀、真實(shí),對(duì)于定量分析汽車通過拱橋最高點(diǎn)和凹形橋最低點(diǎn)的壓力問題有很大的幫助,能夠很好地解釋為何生活中大多數(shù)橋都是拱形橋,以及汽車在通過拱形橋時(shí)為何需要減速慢行等常見問題,同時(shí)可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)安全知識(shí)教育,達(dá)到寓教于樂、學(xué)以致用的目的。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理課程學(xué)習(xí)中一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié),精巧的實(shí)驗(yàn)教具設(shè)計(jì)可以將抽象的生活情景進(jìn)行現(xiàn)場重現(xiàn),將復(fù)雜的物理知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚娜の懂嬅?不僅能夠增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,還能夠讓學(xué)生體會(huì)到物理源于生活,拉近物理和生活之間的關(guān)系。