楊小蘭 何少榮

摘? ?要：結合直線運動學習中常見的物體沿斜面運動的問題模型，利用家裝用窗簾導軌和光電計時器等器材制作一種創(chuàng)新實驗裝置，可以創(chuàng)設并探究物體沿斜面運動的多種問題情境，輔助課堂教學。

關鍵詞：斜面;創(chuàng)新實驗裝置;輔助教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）11-0045-3

物體沿斜面運動的問題模型，可以有效地檢測學生應用所學力學知識和規(guī)律解決實際問題的能力[1]。問題解決中要涉及力與運動、功與能等多種問題。熟悉物體沿斜面運動模型的特點，了解常見的各種問題設置，運用直線運動規(guī)律解答有關問題，是高中物理教學的重點，也是難點。由于有的學校實驗室缺少相應的實驗儀器，學生對此類問題往往缺少直接感知，從而造成學生的學習困難。為了使學生能直觀地感知和了解這類問題模型，體驗有關運動情境，經歷理論探究和實驗探究的過程，筆者利用木工板材和窗簾導軌、光電門、數(shù)字計時器等器材制作了一種創(chuàng)新實驗裝置“物體沿斜面運動模擬探究演示儀”。這種實驗裝置取材簡單、容易制作、操作簡便，能模擬演示物體沿光滑斜面和粗糙斜面運動的情境，進行多個運動問題的創(chuàng)設和定量探究[2]。

1? ? 實驗器材及裝置制作

1.1? ? 實驗器材

該裝置所需的實驗器材主要有：家裝木工板、窗簾導軌、皮尺（厘米刻度）、小鋼球、小滑塊、90°角度尺、光電門、數(shù)字計時器、小球（或滑塊）接收盒。

1.2? ? 裝置實物

裝置實物圖如圖1所示。

1.3? ? 裝置制作

（1）底座的制作：取家庭裝修用的木工板材，截取一塊長約80 cm、寬20 cm的木板作為底座。在木板的外側粘一條裁縫用的（厘米刻度）皮尺，皮尺的零刻度對準木板的一端。

（2）斜面的制作：取安裝窗簾用的塑料導軌，截取一段長約100 cm的導軌作為斜面。導軌中間有滑槽，小鋼球在槽上滾動時，導軌可近似看作光滑斜面;滑塊在槽上滑動時，導軌為粗糙斜面。在導軌的外側也粘一條皮尺，皮尺的零刻度對準導軌的下端。

（3）底座與斜面的連接：導軌下端與木板的頂端用轉軸或“合頁”（柜門用）連接，在木板頂端固定一個90°角度尺，角度尺的中央0點與“合頁”軸對準，在導軌上固定一個轉軸，并能使轉軸沿角度尺上圓弧形開槽滑動且能固定。這項制作步驟很重要，要保證導軌轉動后斜面傾角可用角度尺讀出。

（4）光電門安裝與數(shù)字計時器的連接：在導軌的最下端固定一個光電門，在導軌的中間安裝兩個可移動的光電門。具體實驗時，取其中兩個光電門與數(shù)字計時器連接。

（5）運動物體的選擇：選取大小合適、表面光滑的小鋼球，能通過光電門，擋光尺寸為小鋼球的直徑。小鋼球在槽上滾動時可近似看作沿光滑斜面運動。選取大小合適、表面平整的金屬滑塊，能通過光電門，擋光尺寸為小滑塊的長度。小滑塊在槽上滑動時視為沿粗糙斜面運動。

2? ? 實驗原理

實驗裝置如圖2所示：①水平木板底座;②厘米刻度皮尺;③斜面（窗簾導軌）;④小鋼球和小滑塊;⑤90°角度尺（有固定軌道的活動軸）;⑥光電門;⑦數(shù)字計時器;⑧斜面軌道底端固定轉軸（或合頁）。

高中力學中，常見的物體沿斜面運動的問題模型有兩類：

類型1：研究物體沿光滑斜面運動的問題

1.小球運動的加速度

（1）如圖3所示，小球從斜面上的A處由靜止釋放、加速運動到底端O處，把小球的運動視為質點運動，由運動學規(guī)律可知，xA=■at2，若測出xA和t，就能計算得出a的值。

（2）根據(jù)牛頓第二定律可知，小球沿光滑斜面做勻加速運動的加速度大小為a=gsinθ，若測出θ的值，就能計算得出a的值。

2.小球沿等底不等高光滑斜面運動的時間

小球從斜面上的A處由靜止釋放、加速運動到底端O處，由運動學規(guī)律和牛頓第二定律可知，小球運動的時間為t=2■，若L一定，則t隨θ的變化而變化，且θ=45°時t最小。若測出θ和t的值，就能進行比較和檢驗。

3.小球在斜面上運動的速度與功能關系

如圖4所示，在斜面上A、B兩個位置裝有光電門，讓小球從斜面頂端由靜止釋放，小球做勻加速直線運動。

（1）小球通過光電門的運動速度

用游標卡尺測出小球的擋光長度d，用數(shù)字計時器讀出小球通過光電門的擋光時間tA、tB，根據(jù)v=■，可以計算出小球通過A、B處的速度vA、vB大小。

（2）小球的功能關系

小球在光滑斜面上運動，根據(jù)動能定理有：

讀出xAB和θ的數(shù)值，結合vA、vB的計算值，可驗證重力對小球做的功和小球動能變化的關系。

類型2：探究物體沿粗糙斜面運動的問題

1.滑塊運動的加速度

如圖5所示，讓滑塊從固定斜面上的A處由靜止釋放，加速運動到底端O處，由運動學規(guī)律可知，x■=■at2，若測出xA和t，就能計算出a的值。

2.滑塊與斜面軌道之間的動摩擦因數(shù)

根據(jù)牛頓第二定律可知，滑塊沿粗糙斜面做勻加速運動的加速度大小為a=gsinθ-μgcosθ，利用上述1中測出的θ和對應的a，就可以計算出滑塊和斜面軌道之間的動摩擦因數(shù)μ的值。

3? ? 實驗內容及操作步驟

用以上裝置可以做：1.小球沿斜面做加速運動的運動規(guī)律的研究;2.小球沿等底不等高光滑斜面運動時間的研究;3.小球在斜面上運動的速度與動能關系的研究。實驗過程和實驗數(shù)據(jù)從略。

3.1? ? 探究滑塊運動的加速度

（1）實驗裝置如圖6所示。

（2）選擇一定的斜面傾角θ，固定軌道，讀出θ的值并記錄。在斜面上選擇合適的位置A，并固定光電門A，在斜面底端O處固定光電門O，讀出并記錄xA的值。

（3）將光電門A和光電門O與數(shù)字計時器連接，接通電源，選擇合適的計時器工作狀態(tài)。從光電門A處由靜止釋放小滑塊，讀出小滑塊運動時間t并記錄。小滑塊與軌道之間存在摩擦力，不能忽略不計。

（4）根據(jù)xA= at2，計算a的值，并記錄。

（5）改變斜面傾角θ，重復上述步驟（2）（3）（4），得出多組不同傾角θ對應的a值（見表1）。

3.2? ? 探究滑塊與斜面軌道之間的動摩擦因數(shù)

（1）根據(jù)a=gsinθ-μgcosθ，利用上述步驟（5）測出的多組θ和對應的a值計算出滑塊和斜面軌道之間的動摩擦因數(shù)μ的值（見表2）。

（2）根據(jù)步驟（1）的數(shù)據(jù)進行有關討論和誤差分析。

除以上敘述的實驗內容外，由于調整光電數(shù)字計時器的不同工作狀態(tài)，還可以同時測出物體通過每個光電門的瞬時時間以及通過兩個光電門的時間間隔，用測得的這三個時間量結合斜面傾角、斜面長度等還可以設計其他的問題開展探究活動。教師在具體教學時，可以引導學生利用本套實驗裝置來自行提出問題，開展理論探究和實驗探究活動，從而達到培養(yǎng)學生物理思維、實驗探究等學科素養(yǎng)的教學目標[3]。

4? ? 教學的效果

該套自制教具“物體沿斜面運動模擬探究演示儀”，取材簡便、制作簡單，最大的特點是增加了定量研究的手段，可以直接測出斜面傾角、物體運動距離、物體運動時間等多個物理量，結合測量數(shù)據(jù)可以計算出物體運動的速度、加速度，以及物體和斜面之間的動摩擦因數(shù)，進一步補充和完善了實驗室研究物體做勻變速直線運動的實驗器材。

在實際教學實踐中，該套自制教具既能較好地創(chuàng)設物體沿斜面運動的兩類典型的問題情境，引導學生開展理論探究，又能充分調動學生探究的熱情，進行定量的探究，為學生開展實驗探究活動創(chuàng)造條件，提高學生學習的積極性，使其物理學科核心素養(yǎng)得以培養(yǎng)。實驗中數(shù)據(jù)較多，處理數(shù)據(jù)可以借助Excel軟件，以減少數(shù)據(jù)運算量。

該套實驗裝置的不足之處是小鋼球與軌道之間存在一定的摩擦，斜面傾角的測量精度不夠，滑塊在運動中與軌道各處的摩擦不同，因此實驗可能存在較大誤差。

參考文獻：

[1]任志鴻. 高中同步測控優(yōu)化設計物理必修I新課標滬科版教師用書[M].?？冢?南方出版社， 2004.

[2]趙凌波. 基于“學科核心素養(yǎng)”的高中物理教學思考[J]. 新課程，2018（12）：144.

[3]陸永華. 基于物理學科素養(yǎng)的高中物理電磁感應教學研究[D].蘇州：蘇州大學碩士學位論文，2016.

（欄目編輯? ? 王柏廬）