火車轉(zhuǎn)彎問題實驗群

關(guān)世彪 馬經(jīng)偉 張國棟

摘 要：針對火車轉(zhuǎn)彎問題制作了三組教具，模擬了火車平面與斜面轉(zhuǎn)彎問題，豐富了演示實驗手段.有助于學(xué)生形成清晰的科學(xué)觀念，建構(gòu)合適的物理模型，為學(xué)生進(jìn)行以后的科學(xué)探究做準(zhǔn)備.

關(guān)鍵詞：實驗群開發(fā);自制教具;火車轉(zhuǎn)彎

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）19-0049-02

作者簡介：關(guān)世彪（1975-），男，黑龍江雙城人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

馬經(jīng)偉（1992-），男，黑龍江大慶人，本科，中學(xué)二級教師， 研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

通訊作者：張國棟（1981-），男，河北清苑人，碩士，中學(xué)一級教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

對于火車轉(zhuǎn)彎問題，課程標(biāo)準(zhǔn)中提到“建議調(diào)查鐵路拐彎處兩條鐵軌間的高度差異”，人教版教材在“生活中的圓周運(yùn)動”中也列舉了轉(zhuǎn)彎實例.火車雖然常見，但學(xué)生對車輪構(gòu)造，輪緣作用，平面和斜面轉(zhuǎn)彎時模型的建立、理論分析等存在困難.為了模擬更加真實的情景，筆者制作了火車轉(zhuǎn)彎問題演示教具.

1 火車水平轉(zhuǎn)彎

1.1 器材介紹

火車玩具套裝（如圖1），錫箔紙自制電刷（如圖2），電池組，藍(lán)色、綠色發(fā)光二極管等（如圖3）.

1.2 實驗原理與關(guān)鍵點

電路圖如圖4所示.

實驗原理：利用火車輪緣（粘貼導(dǎo)電鋁箔）與鐵軌（粘貼導(dǎo)電鋁箔）之間接觸作為開關(guān)，控制相應(yīng)側(cè)的發(fā)光二極管發(fā)光，表現(xiàn)輪緣與鐵軌間存在相互作用力.火車轉(zhuǎn)彎時，由于火車需要指向圓心的向心力，所以外側(cè)輪緣會與外側(cè)軌道接觸擠壓，進(jìn)而接通外部軌道電路，外側(cè)軌道處的發(fā)光二極管發(fā)光.

實驗關(guān)鍵點：導(dǎo)電輪緣與電路連接需要電刷聯(lián)通，電刷使用了彈性強(qiáng)的導(dǎo)線內(nèi)芯制成;導(dǎo)電鐵軌鋪設(shè)導(dǎo)電鋁箔時，鋁箔要延伸到軌道水平部分，車載電刷與水平部分鋁箔聯(lián)通，以達(dá)到運(yùn)動中保持良好接觸.為了提升火車的轉(zhuǎn)彎速度，可將火車自帶的4.5V電源改成9V電源.

1.3 演示步驟

先用手將火車分別觸碰貼有錫紙的直軌道，將火車受力方向與亮燈情況聯(lián)系起來.火車平面轉(zhuǎn)彎時，引導(dǎo)學(xué)生觀察火車內(nèi)側(cè)、外側(cè)的亮燈情況，進(jìn)而說明火車平面轉(zhuǎn)彎時擠壓外側(cè)軌道.

2 火車斜面轉(zhuǎn)彎與聲音組件結(jié)合

2.1 實驗器材

鋼球用來模擬過彎道的火車，木支架與窗簾軌道組合（如圖5）使鋼球進(jìn)入軌道時具有不同的速度，帶有傾斜盆沿的透明盆作為傾斜軌道（如圖6），辦公用資料夾的外殼作為內(nèi)外軌，銅片與易拉罐做接觸開關(guān)（如圖7），可錄音的小喇叭（如圖8）作為高、低速過彎道時的語音提醒.

2.2 實驗原理與關(guān)鍵點

調(diào)節(jié)鋼球在傾斜軌道上的位置可以改變球進(jìn)入傾斜盆沿的速度大小，如果位置合適，球可以既不擠壓內(nèi)軌道也不擠壓外軌道.如果釋放位置更高，球會擠壓外軌的接觸開關(guān)，賀卡會播放事先錄入的聲音：“火車已經(jīng)超速，請減速慢行.”同理，如果釋放位置偏低，內(nèi)軌開關(guān)接通，也會聽到提示音：“火車車速過慢，請加速.”由于易拉罐制作的開關(guān)韌性很好，可反復(fù)多次實驗.

關(guān)鍵點：一是易拉罐制作的接觸開關(guān)位置應(yīng)盡量靠近軌道，位置過高會發(fā)生球擠壓不到開關(guān)的現(xiàn)象;二是內(nèi)外軌上的接觸開關(guān)需要前后錯開一定位置，以免誤觸.

2.3 演示步驟

先進(jìn)行器材介紹，用手指分別觸碰內(nèi)外軌道的接觸開關(guān)，讓學(xué)生聽提示.然后將鋼球分別從不同的高度釋放，演示其發(fā)生不擠壓（實際上完全不觸碰接觸開關(guān)很難，但如果擠壓力度不大，開關(guān)也不會報警）軌道、擠壓外軌、擠壓內(nèi)軌三種情況.

3 火車坡路轉(zhuǎn)彎與發(fā)光組件結(jié)合

3.1 實驗器材

有機(jī)玻璃管，紐扣電池，手動開關(guān)，軟導(dǎo)線，藍(lán)、綠兩色發(fā)光二極管，硬彈簧，硬導(dǎo)線（沿彈簧軸線插入），鋼球（如圖9）.

3.2 實驗原理與關(guān)鍵點

電路圖如圖10所示.手按壓力開關(guān)（按下導(dǎo)通，放開斷路）與由硬彈簧、硬導(dǎo)線、鋼球組成的接觸開關(guān)串聯(lián)在電路中，手按壓力開關(guān)是為了防止由于玻璃管擺放位置不當(dāng)造成的電路導(dǎo)通的現(xiàn)象.教具制作的難點是彈簧、導(dǎo)線頭、鋼球間的位置關(guān)系，硬質(zhì)導(dǎo)線需要比彈簧稍微短一點，但如果短太多，靈敏度不夠，效果不好.

3.3 演示步驟

先進(jìn)行電路與接觸開關(guān)的介紹，演示鋼球觸碰兩側(cè)彈簧時亮燈情況.接著將玻璃管傾斜模擬火車斜軌道，在水平方向以適當(dāng)?shù)乃俣绒D(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)速合適時沒有燈發(fā)光;當(dāng)轉(zhuǎn)速過慢時，內(nèi)側(cè)燈發(fā)光;當(dāng)轉(zhuǎn)速過快時，外側(cè)燈發(fā)光.

此外，本實驗?zāi)軌蚝芎谜f明球在豎直圓周最高點時的桿球模型問題，該教具正在申請專利，已經(jīng)取得初步成果.

最后，關(guān)于鐵軌和車輪的演示模型，現(xiàn)在可以買到很多等比例縮小的鋼軌和車輪.完全可以改成分組實驗，讓學(xué)生親身感受一下，在此就不贅述了.

參考文獻(xiàn)：

[1]王興乃.高中物理實驗大全[M].北京：電子工業(yè)出版社，1988.

（收稿日期：2021-07-01）