改进运动合成与分解实验

周翔

摘要：我们常把复杂的运动看做是几个简单运动的合成。两个匀速运动的合运动是匀速运动，

通过运动合成与分解可以清晰明了的展现给学生。依赖教学配套器材，老师演示这个实验，现象也不能让学生信服。针对这个重要的实验，做了简单精巧地改进，让效果好了很多，向学生展示了运动合成与分解的科学原理。

关键词： 实验 匀速 多次 原因

作为研究复杂运动的一种有效方法，我们常把复杂的运动看做是几个简单运动的合成。通过运动的合成与分解实验可以清晰明了的展现给学生。两个匀速运动的合运动也是匀速运动，这个实验就是一个应用实例。在课堂演示实验的过程，一般的做法都是玻璃管掉头让红色蜡块在玻璃管里沿AB匀速上升，如图1中的甲乙所示。同时用手移动玻璃管沿AD近似匀速水平移动，观察蜡块相对地面沿AC匀速运动的，如图1中的丙所示。条件好些的，可以让玻璃管在气垫导轨上匀速移动，代替手移动。但不管怎么操作，在实际的教学中很难正确多次演示这个重要的实验。所以我们老师都是示意性的或者象征性的做一下这个实验，然后就理论证实了。这严重违背了科学精神，物理是实验自然学科，任何规律都要经得起实验的多次验证。为什么这个实验这么难做，这么不让学生信服呢？归纳一下有以下几个原因：

图1 （演示实验）

原因一，竖直方向上的匀速直线运动操作困难大。第一,不能重复同一个运动，运动速度会改变。一般采用掉头使石蜡重新上升，掉头后上升速度会有所改变。第二，蜡块的上升速度很慢，重新重复一遍很费时，要等待很长的时间才能做第二次实验，影响课堂讲解进度。第三，石蜡可控性很差，只能等待它上升到最高点才能下次操作。原因二，玻璃管的水平匀速运动很难实现，误差大。第一，手水平移动很难做到匀速，也不客观，每次移动的速度都不相同。第二，若用气垫导轨装上玻璃管，带动玻璃管水平移动，实验装置复杂，不容易操控，并且难以控制每次匀速速度相同，不能重复实验。原因三，学生很难观察到蜡块相对地面沿AC匀速运动。因为没有参考背景，学生直接观察石蜡在空中移动是很难看到直线轨迹的。原因四，由于蜡块竖直上升初始阶段和玻璃管水平移动启动阶段都有一个加速过程，不是匀速运动，使合运动是匀速直线的轨迹出现偏差。基于以上四大原因，大多老师都是能回避就回避，或用多媒体课件模拟演示，很难真实的展现给学生。针对这个重要的实验，我在现有的条件下，做了简单精巧地改进，让实验效果却好了很多，向学生展示了运动合成与分解的科学原理。

实验的改进如下：针对第一个“原因”，我们对蜡块浮子进行了改进，使它具有可控性，每次都能很快复位。具体的做法是在蜡块内嵌入有螺旋形铁丝，使其具有铁磁性，利用磁铁吸引蜡块中的铁丝，可让石蜡随即停止运动。当石蜡每次都做匀速上升运动到顶部后，再利用磁铁吸住石蜡拖回到底部，重新开始下一次的上升匀速运动。由于每次都是从同一底部重复同一上升运动，所以石蜡上升速度每次都几乎相同，实验结果就可以多次重复出现，多次验证。并且利用磁铁吸住石蜡拖回底部用时很短，马上可以下次实验，节约了时间。如图2（铁磁浮子）所示：

图2（铁磁浮子）

针对第二个“原因”，利用现有的牛顿第二定律实验装置，进行改装，既可以每次使玻璃管水平匀速运动，并且要每次移动速度相同，保证可以重复实验验证。我们把玻璃管固定在做实验的小车里，小车放在导轨上，使砝码拉小车匀速运动。如图2所示。调节导轨倾斜角度，改变绳的拉力大小，以及改变小车的重力从而改变滑动摩擦力，利用这三种方式可以实现小车带动玻璃管做水平匀速运动。由于是同一装置拉小车运动，每次都是重复同一个过程，所以每次匀速运动的速度都是相同的，可以重复实验。这个装置是做牛顿第二定律用的很容易找到，也不复杂。如图3（水平移动装置）所示：

图3（水平移动装置）

针对第三个“原因”，我们在演示装置的后面加了一个白色图板，在上面画出参考直线，提供了观察的参考背景，让学生很容易观察到石蜡两个分运动的合运动，蜡块相对地的直线运动。图4（参考板）所示。

图4(参考板)

针对第四个“原因”，为了使两个分运动更加接近匀速，我们先让蜡块上升和小车加速运动后再进行演示，避开在蜡块和小车启动阶段加速的影响。我们选择石蜡和小车启动结束后的匀速过程中进行观察，而不是一启动马上观察。因此我们的观察点应该放在启动阶段的后面。参考的背景板坐标原点设计在小车出发点之后的一段距离达到匀速处。竖直方向上，用塑料圆筒遮住蜡块上升初始阶段的加速过程，直接观察到石蜡离开圆筒后的匀速上升过程，背景的坐标原点在圆筒上方。如图5（观察点的位置）所示。经过这样的改进，四个矛盾解决了以后，两个方向上的运动都实现了匀速运动，实验结果非常清晰的展示了两个分运动都是匀速直线运动的合运动是直线运动。节省了演示时间，又可以重复多次验证，直观性又好，让学生体会深刻，遵从了物理的实验科学精神。

图5（观察点的位置）

最后实验的制作。蜡块浮子的制作，先做一个比玻璃管略小的纸筒，把弯曲成螺旋状的细小铁丝放入其中，把红色蜡溶化后注入纸筒中，等待冷却后取出，用刀片修正做成你想要的大小浮子。制作过程中注意几个细节：第一，细小铁丝弯曲成螺旋状才陷入红蜡中的目的是为了增加磁铁对蜡块的吸附面积，使作用力更强，这样使一般的磁铁吸引力就可以控制蜡块浮子了。第二，如果蜡块浮子不能上升或者上升速度太小，可以加盐水，使水的密度增加，增大浮力。最好的方法是，蜡块浮子做成空心，那就要在红色蜡溶化后注入过程中注意技巧了，略微空心的蜡块浮子浮力足以克服铁丝的重力。第三，蜡块尽可能做大些，使它与玻璃管隔阂越小越好，这样蜡块上升的速度更加稳定不变。第四玻璃管如何固定在小车上呢？我们可以事先拿一个比玻璃管略大的塑料管子，装修材料里很容易找到，用螺丝固定在小车上，在把玻璃管放入塑料管子中，玻璃管就可以随小车水平运动了。同时塑料管也可以遮挡住蜡块上升阶段的加速过程。如图6（玻璃管的固定）所示：

图6（玻璃管的固定）

这个演示实验，我们充分考虑到了取材的容易性，小车，石蜡，铁丝，塑料管都是实验室的原有器材和生活中的垃圾废物利用。发挥了自己的才智和思想。我们这个实验很实用，大大提高了运动合成与分解的讲解效果，今后继续改进！

参考文献： 中学物理设计性实验案例研究 人民教育出版社 陈友道 著 2005年

高中实验能力训练 物理 北京师范大学出版社 陶琪 编辑 2000年

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