自制擺球碰撞探究?jī)x探究碰撞中的不變量

董芳芳　梁忠

摘 要：人教版“實(shí)驗(yàn)：探究碰撞中的不變量”一節(jié)中，教材提供了三種探究方案，本自制教具主要解決教材案例二中不容易保證對(duì)心碰撞、最大擺角不容易定位測(cè)量、碰撞前后瞬時(shí)速度計(jì)算繁瑣等問(wèn)題.利用日常生活中的低成本材料設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生多動(dòng)手、勤動(dòng)腦，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng).

關(guān)鍵詞：碰撞;探究;自制教具;等效速度盤(pán)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）05-0061-03

作者簡(jiǎn)介：董芳芳（1987-），女，江蘇鹽城人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：高中物理學(xué)科教學(xué);

梁忠（1966-），男，江蘇鹽城人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

人教版《物理（選修3-5）》教材“實(shí)驗(yàn)：探究碰撞中的不變量”，這節(jié)課的首要問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)方案的確定.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)方案是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的核心，也是培養(yǎng)學(xué)生探究能力的重要途徑.教師帶領(lǐng)學(xué)生依據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)比較、篩選器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，從而展開(kāi)教學(xué)活動(dòng).本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)是一維碰撞中不變量的實(shí)驗(yàn)探究，由于一維碰撞存在多種形式，再加上學(xué)生對(duì)不變量表達(dá)式的猜想較多，如何在一節(jié)課的教學(xué)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)不變量猜想的驗(yàn)證，教師需要以啟發(fā)學(xué)生思維為切入點(diǎn)，以處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為突破口，化解教學(xué)難點(diǎn).教材提供了三種探究方案，我們選擇其中的參考案例二進(jìn)行探究.

如圖1，把兩個(gè)小球用線懸掛起來(lái)，一個(gè)小球靜止，拉起另外一個(gè)小球，放下時(shí)它們相碰，只要測(cè)量小球拉起的角度和被撞小球擺起的角度，就可以根據(jù)機(jī)械能守恒定律算出擺球碰撞前后的速度，進(jìn)而研究碰撞現(xiàn)象中的規(guī)律，去探究碰撞中的不變量.這一案例思路明了，現(xiàn)象有趣，學(xué)生也容易理解.但筆者實(shí)際操作起來(lái)卻發(fā)現(xiàn)要想實(shí)驗(yàn)成功并不容易，一是很難保證兩球?qū)π呐鲎?二是小球的最大擺角也很難定位測(cè)量，還有碰撞前后的瞬時(shí)速度計(jì)算較為繁瑣等一系列問(wèn)題.筆者針對(duì)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題對(duì)裝置進(jìn)行了改進(jìn)，自制了擺球碰撞探究?jī)x（如圖2）.

1 制作材料與裝置

1.1 制作材料

資料夾、塑料筆芯、筆套、考試墊紙板、普通木工板、帶螺紋的金屬橫桿、螺母、鋼球、時(shí)鐘秒針、魚(yú)線、竹簽、鐵絲、502膠等.

1.2 裝置

2 難點(diǎn)克服與方案設(shè)計(jì)

2.1 一維碰撞的調(diào)節(jié)

通過(guò)移動(dòng)橫桿上的螺母調(diào)節(jié)擺球上的雙線長(zhǎng)度（如圖4），從而調(diào)整擺球的位置，易于實(shí)現(xiàn)一維碰撞.兩水平橫桿間距可調(diào)，方便更換不同質(zhì)量的擺球（如圖5）.

2.2 最大擺角位置的定位

利用與擺球相連的帶檔針的連接桿帶動(dòng)定位指針（如圖6），可方便確定擺球擺動(dòng)的最大偏轉(zhuǎn)角度.圖6中從左至右3個(gè)定位指針?lè)謩e記錄了入射球碰撞前、碰撞后和被碰球的最大偏轉(zhuǎn)角度.

2.3 速度刻度盤(pán)的調(diào)零

兩個(gè)由資料夾制作的刻度盤(pán)（如圖6）可以分別繞兩擺球的懸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，方便校零，即讓兩擺球靜止時(shí)充當(dāng)重垂線，使刻度盤(pán)的零刻度線與重垂線重合即可，不需要精確調(diào)節(jié)水平.

2.4 碰撞瞬間擺球速率的確定

同一組實(shí)驗(yàn)中，兩擺球擺動(dòng)半徑相同，驗(yàn)證時(shí)只需確定速度與擺角的關(guān)系，可借助歐姆表刻度“思想”，將最大擺角對(duì)應(yīng)為“等效速度”（如圖7，注意刻度不均勻），可使實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證更快捷.

3 操作與效果

兩球碰撞前后的速度大小均可由等效速度盤(pán)直接讀出，由圖8所示，可讀出v1=6.3v0、v′1=1.5v0、v′2=6.4v0，擺球質(zhì)量由天平測(cè)出，表2是實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄，平均實(shí)驗(yàn)誤差約為6.7%.

4 教具亮點(diǎn)

本實(shí)驗(yàn)材料易取，成本低，裝置設(shè)計(jì)精巧，突顯對(duì)原理的理解;帶檔針的連接桿與定位指針的配合，方便定位最大擺角位置;雙線擺、可調(diào)橫桿、可調(diào)螺母、重?cái)[球易于實(shí)現(xiàn)對(duì)心正碰，滿足守恒條件;兩個(gè)獨(dú)立、可調(diào)節(jié)的刻度盤(pán)，降低了裝置的校零難度;運(yùn)用“歐姆表刻度”思想，將最大擺角直接對(duì)應(yīng)為速度，大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的計(jì)算難度.本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想和理念為實(shí)驗(yàn)優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

5 誤差分析與改進(jìn)設(shè)想

受制作工藝影響，本教具還存在一些不足之處，分析如下：

（1）各種阻力影響降低程度不夠.例如，定位指針轉(zhuǎn)動(dòng)軸處、各部件連接處的摩擦，連接桿帶動(dòng)定位指針時(shí)的撞擊以及整個(gè)裝置的振動(dòng).

（2）測(cè)量擺球擺動(dòng)角度的指針定位存在不可忽視的系統(tǒng)誤差，尤其是入射球碰撞后存在明顯的系統(tǒng)誤差，改進(jìn)方案如圖9所示.

（3）更換不同質(zhì)量的擺球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于球的半徑以及擺動(dòng)半徑都會(huì)改變，需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，過(guò)程比較繁瑣.因此，可以參照杠鈴的原理，制作質(zhì)量可以調(diào)節(jié)的擺球（如圖10），將擺球兩側(cè)切去，通過(guò)增減配重片的方式來(lái)改變擺球的質(zhì)量，而無(wú)需更換擺球.可以方便實(shí)驗(yàn)，同時(shí)減小誤差.

6 結(jié)束語(yǔ)

新修訂的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》倡導(dǎo)利用日常用品改進(jìn)實(shí)驗(yàn)或開(kāi)發(fā)新實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)課程資源不僅限于實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器和設(shè)備，日常用品、廢舊材料也是重要的實(shí)驗(yàn)室資源.低成本、高質(zhì)量的物理實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生有更多動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，有更多親歷實(shí)驗(yàn)演示的機(jī)會(huì)，更好地培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、創(chuàng)新實(shí)踐能力.

參考文獻(xiàn)：

[1]顧江鴻，李春密.物理演示實(shí)驗(yàn)探究化結(jié)構(gòu)要素的建構(gòu)[J].物理教師，2019，40（04）： 2-5+15.

[2]張維善.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)教科書(shū)物理（選修3-5）[M].北京：人民教育出版社，2007.

（收稿日期：2020-11-10）