探究物体沿斜面运动规律的创新实验装置
杨小兰 何少荣
摘? ?要：结合直线运动学习中常见的物体沿斜面运动的问题模型，利用家装用窗帘导轨和光电计时器等器材制作一种创新实验装置，可以创设并探究物体沿斜面运动的多种问题情境，辅助课堂教学。
关键词：斜面;创新实验装置;辅助教学
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）11-0045-3
物体沿斜面运动的问题模型，可以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[1]。问题解决中要涉及力与运动、功与能等多种问题。熟悉物体沿斜面运动模型的特点，了解常见的各种问题设置，运用直线运动规律解答有关问题，是高中物理教学的重点，也是难点。由于有的学校实验室缺少相应的实验仪器，学生对此类问题往往缺少直接感知，从而造成学生的学习困难。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，笔者利用木工板材和窗帘导轨、光电门、数字计时器等器材制作了一种创新实验装置“物体沿斜面运动模拟探究演示仪”。这种实验装置取材简单、容易制作、操作简便，能模拟演示物体沿光滑斜面和粗糙斜面运动的情境，进行多个运动问题的创设和定量探究[2]。
1? ? 实验器材及装置制作
1.1? ? 实验器材
该装置所需的实验器材主要有：家装木工板、窗帘导轨、皮尺（厘米刻度）、小钢球、小滑块、90°角度尺、光电门、数字计时器、小球（或滑块）接收盒。
1.2? ? 装置实物
装置实物图如图1所示。
1.3? ? 装置制作
（1）底座的制作：取家庭装修用的木工板材，截取一块长约80 cm、宽20 cm的木板作为底座。在木板的外侧粘一条裁缝用的（厘米刻度）皮尺，皮尺的零刻度对准木板的一端。
（2）斜面的制作：取安装窗帘用的塑料导轨，截取一段长约100 cm的导轨作为斜面。导轨中间有滑槽，小钢球在槽上滚动时，导轨可近似看作光滑斜面;滑块在槽上滑动时，导轨为粗糙斜面。在导轨的外侧也粘一条皮尺，皮尺的零刻度对准导轨的下端。
（3）底座与斜面的连接：导轨下端与木板的顶端用转轴或“合页”（柜门用）连接，在木板顶端固定一个90°角度尺，角度尺的中央0点与“合页”轴对准，在导轨上固定一个转轴，并能使转轴沿角度尺上圆弧形开槽滑动且能固定。这项制作步骤很重要，要保证导轨转动后斜面倾角可用角度尺读出。
（4）光电门安装与数字计时器的连接：在导轨的最下端固定一个光电门，在导轨的中间安装两个可移动的光电门。具体实验时，取其中两个光电门与数字计时器连接。
（5）运动物体的选择：选取大小合适、表面光滑的小钢球，能通过光电门，挡光尺寸为小钢球的直径。小钢球在槽上滾动时可近似看作沿光滑斜面运动。选取大小合适、表面平整的金属滑块，能通过光电门，挡光尺寸为小滑块的长度。小滑块在槽上滑动时视为沿粗糙斜面运动。
2? ? 实验原理
实验装置如图2所示：①水平木板底座;②厘米刻度皮尺;③斜面（窗帘导轨）;④小钢球和小滑块;⑤90°角度尺（有固定轨道的活动轴）;⑥光电门;⑦数字计时器;⑧斜面轨道底端固定转轴（或合页）。
高中力学中，常见的物体沿斜面运动的问题模型有两类：
类型1：研究物体沿光滑斜面运动的问题
1.小球运动的加速度
（1）如图3所示，小球从斜面上的A处由静止释放、加速运动到底端O处，把小球的运动视为质点运动，由运动学规律可知，xA=■at2，若测出xA和t，就能计算得出a的值。
（2）根据牛顿第二定律可知，小球沿光滑斜面做匀加速运动的加速度大小为a=gsinθ，若测出θ的值，就能计算得出a的值。
2.小球沿等底不等高光滑斜面运动的时间
小球从斜面上的A处由静止释放、加速运动到底端O处，由运动学规律和牛顿第二定律可知，小球运动的时间为t=2■，若L一定，则t随θ的变化而变化，且θ=45°时t最小。若测出θ和t的值，就能进行比较和检验。
3.小球在斜面上运动的速度与功能关系
如图4所示，在斜面上A、B两个位置装有光电门，让小球从斜面顶端由静止释放，小球做匀加速直线运动。
（1）小球通过光电门的运动速度
用游标卡尺测出小球的挡光长度d，用数字计时器读出小球通过光电门的挡光时间tA、tB，根据v=■，可以计算出小球通过A、B处的速度vA、vB大小。
（2）小球的功能关系
小球在光滑斜面上运动，根据动能定理有：
读出xAB和θ的数值，结合vA、vB的计算值，可验证重力对小球做的功和小球动能变化的关系。
类型2：探究物体沿粗糙斜面运动的问题
1.滑块运动的加速度
如图5所示，让滑块从固定斜面上的A处由静止释放，加速运动到底端O处，由运动学规律可知，x■=■at2，若测出xA和t，就能计算出a的值。
2.滑块与斜面轨道之间的动摩擦因数
根据牛顿第二定律可知，滑块沿粗糙斜面做匀加速运动的加速度大小为a=gsinθ-μgcosθ，利用上述1中测出的θ和对应的a，就可以计算出滑块和斜面轨道之间的动摩擦因数μ的值。
3? ? 实验内容及操作步骤
用以上装置可以做：1.小球沿斜面做加速运动的运动规律的研究;2.小球沿等底不等高光滑斜面运动时间的研究;3.小球在斜面上运动的速度与动能关系的研究。实验过程和实验数据从略。
3.1? ? 探究滑块运动的加速度
（1）实验装置如图6所示。
（2）选择一定的斜面倾角θ，固定轨道，读出θ的值并记录。在斜面上选择合适的位置A，并固定光电门A，在斜面底端O处固定光电门O，读出并记录xA的值。
（3）将光电门A和光电门O与数字计时器连接，接通电源，选择合适的计时器工作状态。从光电门A处由静止释放小滑块，读出小滑块运动时间t并记录。小滑块与轨道之间存在摩擦力，不能忽略不计。
（4）根据xA= at2，计算a的值，并记录。
（5）改变斜面倾角θ，重复上述步骤（2）（3）（4），得出多组不同倾角θ对应的a值（见表1）。
3.2? ? 探究滑块与斜面轨道之间的动摩擦因数
（1）根据a=gsinθ-μgcosθ，利用上述步骤（5）测出的多组θ和对应的a值计算出滑块和斜面轨道之间的动摩擦因数μ的值（见表2）。
（2）根据步骤（1）的数据进行有关讨论和误差分析。
除以上叙述的实验内容外，由于调整光电数字计时器的不同工作状态，还可以同时测出物体通过每个光电门的瞬时时间以及通过两个光电门的时间间隔，用测得的这三个时间量结合斜面倾角、斜面长度等还可以设计其他的问题开展探究活动。教师在具体教学时，可以引导学生利用本套实验装置来自行提出问题，开展理论探究和实验探究活动，从而达到培养学生物理思维、实验探究等学科素养的教学目标[3]。
4? ? 教学的效果
该套自制教具“物体沿斜面运动模拟探究演示仪”，取材简便、制作简单，最大的特点是增加了定量研究的手段，可以直接测出斜面倾角、物体运动距离、物体运动时间等多个物理量，结合测量数据可以计算出物体运动的速度、加速度，以及物体和斜面之间的动摩擦因数，进一步补充和完善了实验室研究物体做匀变速直线运动的实验器材。
在实际教学实践中，该套自制教具既能較好地创设物体沿斜面运动的两类典型的问题情境，引导学生开展理论探究，又能充分调动学生探究的热情，进行定量的探究，为学生开展实验探究活动创造条件，提高学生学习的积极性，使其物理学科核心素养得以培养。实验中数据较多，处理数据可以借助Excel软件，以减少数据运算量。
该套实验装置的不足之处是小钢球与轨道之间存在一定的摩擦，斜面倾角的测量精度不够，滑块在运动中与轨道各处的摩擦不同，因此实验可能存在较大误差。
参考文献：
[1]任志鸿. 高中同步测控优化设计物理必修I新课标沪科版教师用书[M].海口： 南方出版社， 2004.
[2]赵凌波. 基于“学科核心素养”的高中物理教学思考[J]. 新课程，2018（12）：144.
[3]陆永华. 基于物理学科素养的高中物理电磁感应教学研究[D].苏州：苏州大学硕士学位论文，2016.
（栏目编辑? ? 王柏庐）
