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标题

创新实验装置培养学生实验创新能力

范文

邵志慧何少荣

摘要：结合高中物理学习中常见的“传送带问题”模型，利用小型直流电动机、调速器、皮带、转轴等简易器材自制一种创新实验装置，为师生创设并探究物体沿传送带运动的多种问题情境，化难为简，有效辅助课堂教学。

关键词：自制传送带演示仪、辅助课堂教学中图分类号：G4?文献标识码：A?文章编号：（2020）-29-378

高中力学中有关“传送带”的问题模型，既是是重点，又是难点。这类问题的设计既联系科学、生产和生活实际，又能有效地检测学生应用所学力学知识和规律解决实际问题的能力。

在实际生活和生产中，传送带主要用来输送人员或货物，运动形式比较单一，多以物体随传送带匀速运动为主，且传速带速度较小。而在高中物理教学中，基于“传送带”设计的问题模型却比较复杂，涉及多种初始条件和运动方式，远远超出了学生的日常观察和体验。在教学实践中，教师大多以专题复习为主，罗列出各种常设问题情形，通过理论分析、归纳总结等教学策略实现集中突破。而真实的情况是，这类变化多端的物理问题，知识容量和分析难度大，抽象思维要求高，学生在面对具体问题时思维难于集中，有畏难情绪，加之学校物理实验室没有相应的实验仪器，学生对此类问题往往缺少直接感知，课堂教学效果往往事与愿违。

为了使学生能直观地感知和了解这类问题模型，体验有关运动情境，经历理论探究和实验探究的过程，笔者利用小型直流电动机、电机调速器、皮带、转轴、滑块等简易器材制作了一种创新实验装置——“传速带问题综合模拟演示仪”，如图1所示[1]。这套实验装置取材简单、容易制作、操作简便，能模拟演示传送带输送物体的一般情况，更主要的是，通过这套实验装置，能实现多种“传送带问题”的情境创设，使具体的运动情形可再现、可观察、可感知，实现理论与实际相结合，帮助学生了解和解答这类力学问题，并能有效培养和提高学生的物理学科素养，提升学生的实验创新能力。

一、实验装置的设计与制作

1.实验器材

该装置所需的实验器材主要有：小型直流电动机（12V）、电动机调速器、皮带、转轴、轴承、支架、滑块和光滑的硬质塑料等。其中，小型直流电动机（12V）和电动机调速器是网购的成品，其它均自制。

2实验装置

本套实验装置祥见图2所示，主要部件有：①小型直流电动机（12V）;②电动机调速器;③学生电源;④传送带;⑤主动轮;⑥从动轮;⑦张紧轮;⑧支架高度调节器;⑨光滑曲面轨道;⑩光滑斜面轨道。还有不同大小和材质的滑块。

3.设计制作

（1）支架制作：先用钢条做一个长方形框架（宽约15cm，长约40cm），框架一端用钢条做一对立柱，将立柱用螺杆与底座连接，使立柱可转动;框架另一端接在一个可调节高度的立柱上。

（2）传送带制作：在框架的两端各固定两组轴承，在两轴承间加装圆柱形转轮（材质最好取塑制品），將其中一个接电动机，为主动轮，另一个为从动轮。在两轮间链接一个封闭皮带，宽度与长度根据框架和转轮尺寸确定。在框架中间再加装一个上下可调整高度的转轮，用来调节皮带的张紧程度。

（3）附件制作：①用身边常见的纽扣电池、衣服纽扣、塑料块等制作多组不同材质、不同大小和形状的滑块，每种滑块准备2-4个，可用于对比实验;②用纸板、塑料等做一个下端与皮带固定端高度一致，且能平滑链接的竖直曲面轨道，当滑块从该曲面轨道不同高度滑下时，可使滑块以不同的初速度滑上皮带。用硬质塑料做一个宽度与皮带相等，长度合适的光滑平面，可与皮带对接形成两个不同的运动面。

二、创新实验装置的课堂教学实践

在实际教学中，学生对“传送带”问题模型存在的难点主要有：一、当物体在传送带上运动时，学生总感觉物体受到的滑动摩擦力的大小和传送带的速度有关联;二、学生对不常见的传送带输送情况缺少观察和感知，想象不出题目所叙述的实际情景，感觉问题既陌生又复杂，容易产生畏难情绪。最主要的还是学生对牛顿第二定律的理解不深刻，单凭经验对物体的运动过程加以判断，导致运动过程分析错误[2]。

究其本质，学生没有真正搞明白，传送带问题求解的关键在于对物体所受的摩擦力进行正确的分析判断，物体的速度与传速带的速度相等的时刻就是物体所受摩擦力发生突变的时刻。对于这个关键点，用本套“传送带问题综合模拟演示仪”进行演示和探究，可以帮助学生很好地理解牛顿第二定律及其应用。

【探究1】探究滑块相对传送带运动时所受滑动摩擦力大小的特点

探究过程?如图3所示，将传送带调整为水平，把滑块置于传送带上，用一根细绳将滑块与弹簧测力计链接，测力计水平固定。启动电动机带动皮带匀速运转，使细绳张紧，弹簧测力计显示一定示数。通过电动机调速器，逐渐增大皮带运转速度，观察测力计的示数情况。可以发现，测力计的示数几乎不随皮带的运转速度的变化而变化。

实验结论?该实验中，测力计的示数等于滑块受皮带的滑动摩擦力的大小。由此实验可以说明，滑块受皮带的滑动摩擦力的大小不随皮带的速度大小变化而变化。这个结论用牛顿运动定律可以很好解释，但要让学生有感知、有体验，该演示实验就很有必要。对于皮带倾斜的情况，也可以进行类似的演示和探究，如图4所示。

【探究2】演示滑块在水平传送带上的各种运动形式

探究过程?如图5所示，将传送带调整为水平，让竖直曲面轨道与传速带一端平滑链接。

①保持皮带静止，让滑块从曲面轨道上高度较低的某点A处由静止释放，可以看到，滑块加速滑下，从B点冲上传送带后做减速运动，到C点停止。重复该步骤2-3次，观察滑块的运动情况。

②增加A点的高度，重复上述①的过程，可以发现滑块在传送带上减速运动通过的位移BC变大，当A点的高度增加到一定值H后，滑块会从传送带的另一端滑出，做平抛运动。

③启动电动机，使传送带以一定的速度匀速运转，且皮带上表面运动方向与滑块冲上皮带的方向相反。重复上述①和②的过程，观察滑块的运动情况。可以发现，滑块做减速运动的过程与①和②相同，只是当滑块的速度变为零后会反向加速，之后与传速带一起匀速运动。当A点的高度增加大于H后，滑块会从传送带的另一端滑出，做平抛运动。

④保持A点的高度一定，通过电动机调速器，逐渐增大皮带运转速度，观察滑块的运动情况。可以发现，滑块在传送带上减速运动的情况不受传送带速度大小的影响，传送带的速度大小只影响滑块反向加速的情况。

实验结论?在这组实验中，滑块冲上传送带后做减速运动的情况与传送带静止和反向运动无关，如果滑块能从传送带的另一端滑出，则无论传送带速度多大，滑块依然会滑出传送带做平抛运动，且落点相同。

这样的结论显然在观察的基础上，再通过理论探究，学生才能加深理解，也才能有进一步学习和探究的热情。改变传送带的速度方向，使传送带上表面运动方向与滑块冲上传速带的方向相同，将发现其它的运动情形，得出新的实验结论。

【探究3】演示滑块在传送带上发生相对位移的情形

分析和求解滑块在传送带上发生相对位移的大小，是常见的问题设置，通过本套实验装置，可以很好地进行演示和体验。

探究过程?如图6所示，将传送带调整为倾斜，在传送带上画一道参考线oo（垂直传送带运动方向），把合适的滑块置于参考线oo处静止;启动传送带，让传送带向上匀速运转，运动一小段时间后关闭电动机，观察滑块的运动。

实验结论?通过实验演示和观察可知，传送带斜向上匀速运动时，滑块由静止开始先做加速运动，后随皮带一起匀速运动。在滑块加速运动的时间内，滑块向上的位移S块小于皮带向上的位移速S带，滑块相对皮带向后产生一段相对位移△S，且△S=S带-S块。这段位移的大小也是“传送带”问题模型中常提到的“划痕”的长度。通过演示，学生可以真切的感知滑块和皮带相对运动的实际情景，变抽象为具体，思维难度就变小了。

【探究4】探究滑块在倾斜傳送带上的各种运动形式

探究过程?如图7所示，将传送带调整为小角度倾斜，在传送带上端加装一个用硬质塑料片做的光滑平面，与传速带平滑链接成一个组合斜面。

①保持皮带静止，选择合适的滑块放在皮带上，使滑块可以处于静止状态。

②将该滑块从光滑斜面上的A点由静止释放，可以看到，滑块加速滑下，从B点冲上皮带后做减速运动，到C点停下。重复该步骤2-3次，观察滑块的运动情况。

③增加A点的高度，重复上述②的过程，可以发现滑块在传送带上减速运动通过的位移BC变大，当A点的高度增加到一定值H后，滑块会从传送带的下端滑出。

④启动电动机，使传送带以一定的速度向上匀速运转。重复上述②和③的过程，观察滑块的运动情况。可以发现，滑块做减速运动的过程同②和③，只是当滑块的速度变为零后会反向向上加速，之后与传速带一起匀速运动。当A点的高度增加到H后，滑块会从传送带的下端滑出。

⑤保持A点的高度一定，通过电动机调速器，逐渐增大皮带运转速度，观察滑块的运动情况。可以发现，滑块在传送带上减速运动的情况不受传送带速度大小的影响，传送带的速度大小只影响滑块反向加速的情况。

⑥保持皮带静止，将传送带倾斜角度增大，选择合适的滑块放在传送带上，滑块下滑，不能静止。启动电动机，使传送带以一定的速度向上匀速运转，将该滑块从传送带上端由静止释放，观察滑块的运动情况。实验现象是，滑块由静止做加速运动，从传送带下端滑出，增大传送带的速度，不影响滑块的运动状态。

实验结论?在这组实验中，滑块由光滑斜面冲上传送带后做减速运动的情况与传送带静止和反向运动无关，如果滑块能从传送带的另一端滑出，则无论传送带速度多大，滑块依然会滑出传送带下端。这组实验中观察到的现象可以应用牛顿第二定律和运动学规律来解释。

三、创新实验装置、培养学生创新实验能力

在教学实践中，笔者根据自己的教学经历和实际调研，发现“传速带”问题模型确实是高中学生常见的疑难问题。这类问题往往通过设置不同的传送带运行速度、滑块冲上传速带的速度，传送带水平与倾斜、滑块和传速带之间的动摩擦因数等初始条件，来增加问题的难度和思维强度。若教师只是依赖课堂讲授和理论分析训练，则教学效果并不理想。

通过本套自制教具来辅助课堂教学，学生学习和探究的积极性和主动性能充分调动起来。教师可先提出问题，让学生猜想、理论分析，再通过实验演示、验证;也可以先做实验，让学生观察现象，再组织理论探究;也可以给出具体的探究任务，让学生分组进行实验探究，记录现象，分析推理、讨论交流。实践表明，通过这套自制教具，收到了很好的教学效果：其一、学生在课堂上学习积极性很高，观察现象很认真，讨论热烈;其二、学生通过演示，了解并熟知了多种“传送带”运动情境，能较好地构建相应的物理模型;其三，通过实验探究和讨论，减轻了学生对这类问题的畏难和恐惧;其四，通过实验探究，培养了学生物理学科素养和实验创新能力。

另外，笔者和学生在自制教具和调试教具的过程中，实验思想、方法和动手能力都得到了锻炼和提高。本套自制教具取材简单，操作方便，演示效果好，课余学生还可以自主体验和进一步开展探究活动，能激发学生的学习积极性和动手探究的热情[3]。

本套实验装置中，由于条件局限，电机带动皮带的速度不能达到习题设计的大速度（如4m/s等），使学生无法看到滑块在传送带上一直加速运动的情况。其实，在生活和生产中这种情况很难见到，很多习题设计脱离了生活和生产实际，成了假命题。若命题的目的仅用来考查学生应用所学知识解答有关问题的思维水平和应用能力，倒也无可厚非。

参考文献

[1] 本文中的图片均来自：王耀弟《传送带问题综合模拟演示》微课.何少荣名师工作室https：//studio.nxeduyun.com/index.php？r=studio/index&sid=717

[2] 刘新选、王发玉《皮带传输模型问题的研究与备考建议》.中学物理教学参考，2020、5：48-49

[3] 邵志慧、何少荣《搭建自制教具平台突破高中力学习题中疑难问题的教学策略》

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