“质点在平面内的运动”演示实验设计的改进

笪　敏　周国平

在演示“质点在平面内的运动”实验时,每次实验都需要倒置才能使蜡块重新上浮,并且在水平方向用手直接移动,难以做到匀速运动,实验效果不理想。笔者在教学过程中对实验装置进行改进,并在实验中设计“分运动的独立性”探究这一环节,通过课堂教学实践,效果良好。

“蜡块在玻璃管中的运动”实验是“质点在平面内的运动”中重要演示实验。蜡块实验(图1)演示方便、操作简单,能够直观地让学生观察到平面内质点的曲线运动,可以作为很好的新课引入,同时还可以作为探究蜡块的运动性质的实验。但是,该实验装置在具体操作时存在2个问题:一是每次实验都需要倒置才能使蜡块重新上浮,不仅操作麻烦,也使2个方向的运动产生不必要的干扰;二是实验中水平方向用手直接移动,受人为的影响太大,而气垫导轨在很多学校都因成本太高而没有条件配备。

因此,笔者对该实验装置进行改进,改进后的演示仪器不仅解决了上述问题,而且仪器制作简单,实验装置在一般的高中学校的实验室中都能找到,成本低,实验效果比较理想。

实验仪器的选取与制作

玻璃管在化学实验室选取一根酸式滴定管,长约80 cm,内径约1 cm。

红蜡块用买来的红蜡烛仔细切割成圆柱形,要注意边缘要切割光滑而且要刚好和玻璃管的内径吻合,这样就能保证蜡块在上浮的时候基本不会晃动。

巧妙使用缝衣针为了便于控制蜡块和避免玻璃管中出现的气泡(在进行封口的时候总是有气泡难以排除)干扰效果,可以在红蜡块中间插入一根缝衣针,以便通过磁铁将蜡块从顶端移至下端,这样设计,可以避免将玻璃管来回倒置,即使有气泡也不受影响。笔者原本以为很轻易就可以完成插入缝衣针的工作,结果发现针刚插入一点,蜡块周围就会碎,所以必须先用火把针尖烧红,再对准蜡块的正中心快速插入,这样做出来既美观又牢固,不必担心针会脱落。

溶液配置小窍门由于玻璃滴定管的内径只有1 cm左右,蜡块的体积比较小,并且蜡块与玻璃壁之间在运动过程中还有一定的摩擦力,当蜡块中间有插入的一根针以后,蜡块会因浮力不够而无法匀速上浮或者上浮的速度很小,因此,可以用盐和糖的水溶液来代替纯水溶液。如果在尝试的时候发现光是用盐的饱和溶液还无法使蜡块上浮达到理想的速度,就可以再加入适量的白糖来调配溶液,直到蜡块达到理想的上浮速度为止。

固定装置化学实验室中用于固定滴定管的铁架台和铁夹,为了使实验更加稳定,选取测定匀加速直线运动加速度实验中的塑料小车。如图2所示,将铁架台用胶带纸固定在小车上,并让小车在金属导轨上通过绳子由沙桶牵引运动。

沙桶选择沙桶而不用勾码的原因:沙桶的质量很容易控制,实验前只要通过控制沙子的量就可以控制使小车大致匀速或者是匀加速(由于每次放置仪器的桌面水平度会略有不同,所以上课前课间10分钟要完成调试工作)。

红色标记线实验中只研究红蜡块在这2根标记线之间的运动情况,这样可以避免浮体由静止开始做变加速运动过程的影响。

磁铁用于控制红蜡块的位置。

秒表用于探究分运动的独立性。

课堂演示实验过程的设计

实验一 引入新课

实验方案一:先使蜡块竖直上浮,小车不动,提问学生,学生观察后得出,蜡块大致匀速上浮。当蜡块上浮至最高点静止后,再释放小车,使玻璃管水平运动,学生观察后也可得出红蜡块大致是在水平方向匀速运动。最后使蜡块上浮的同时释放小车,问小车究竟是做什么样的运动?

学生会考虑到,此时光用眼睛看,根本无法解决问题。教师此时设计问题,逐步引导学生先定性分析蜡块的运动性质。问题1:蜡块大致朝哪个方向运动?(大致朝右上方运动)问题2:蜡块参与了哪些运动?(水平和竖直都有参与)问题3:蜡块的实际运动和它参与的2个方向的运动在时间上有什么关系?(通过实验的演示,学生可以自主分析出等时性)问题4:蜡块在竖直方向上的运动会受到水平方向运动的影响吗?(此时学生的意见就无法统一,教师引导学生设计实验方案来探究这一问题)

实验二 探究物体运动的独立性

实验方案二:通过测量3个时间,比较3个时间的大小,这3个时间分别是:1)玻璃管静止时,测出蜡块在2根标记线间运动的时间T1;2)蜡块上浮的同时,使小车在水平方向上做匀速运动,测出蜡块在2根标记线间运动的时间T2 ;3)给沙桶增加重量,使蜡块上浮的同时,使小车在水平方向上做加速运动,测出蜡块在2根标记线间运动的时间T3。

实验过程中,给学生分发计时秒表,让学生来测量2次的时间,让学生在探究活动中体验成功的喜悦。如果T1、T2、T3在实验误差允许的范围内近似相等,则可以说明蜡块在竖直方向上的运动不受水平方向上的运动影响。由此可以得出分运动的独立性。

设计探究过程说明:在探究具体轨迹之前先定性分析很有必要。因为平面直角坐标系中探究轨迹和速度时必须要用到等时性和独立性,所以必须在定性地分析过蜡块的运动后,才可以引导学生在平面直角坐标中理论上解决轨迹和速度的问题。

本节课借助蜡块演示实验,先给学生一个直观的印象,然后在该实验的基础上定性地探究蜡块的运动性质,最后借助数学方法在平面直角坐标内进行理论的定量分析。演示实验过程中,学生参与度高,气氛活跃。从课后反馈的信息来看,学生理解和掌握知识的情况良好。

(作者单位:1 浙江省孝丰高级中学;2 浙江省安吉高级中学)