奇妙的教具制作之旅

                          日期:2014-10-21 10:08 點擊數:19844 

                          ——“摩擦力變化圖像演示儀”制作

                          重慶巴蜀中學   歐陽若晗

                          縱觀中學物理學界,投身于教具制作的物理教師或教具公司的技術員,不在少數,每年市級、國家級的各種教具比賽也不在少數,可以說教材上出現或沒出現的同種教具換著不同形式的制作已經被無數次的超越和更替。這就意味著要想讓教具吸引大家的眼球,就需要更多的突破,更大的創新!就是在這樣的背景下,我開始了痛并快樂著的“摩擦力變化圖像演示儀”制作的奇妙之旅!

                          奇妙之一:創作的靈感來源

                          最初想到制作這個儀器,是源自謝東挽老師要參加由中國物理學會物理教學委員會舉辦的“第十一屆全國中學物理青年教師教學大賽”的課程的需要,賽課的課題是《摩擦力》。我們準備通過一個儀器來形象描繪出水平接觸面上物塊隨外力大小的變化,摩擦力由靜摩擦變成滑動摩擦,其大小隨時間的變化圖像。在研究全國各地的優質課大賽以及淘寶上出售的各種摩擦力演示儀中,我發現,此前還沒有一個教具,更能簡單直觀地讓學生體驗和感受出由靜到動以及大小變化的全過程。在所有的全國賽課中,大家基本上用的都是傳感器,然而,傳感器對大多數的學生來說,似乎顯得有些抽象而又陌生。

                          于是,我想就從學生熟悉的彈簧測力計入手,通過二力平衡由彈簧的形變量來反應摩擦力的大小。然而如何來顯示不同時間下的摩擦力大小呢?

                          迷茫中,我突然想到在《簡諧運動》這一節中,我們曾經用沙擺演示過簡諧運動的正余弦圖像。在這個實驗中我們就是通過拖動沙擺下面的木板做勻速直線運動,把時間的變化轉換成距離的均勻變化(如圖1)。受到沙擺的啟示,我也用一張豎直放置的白紙做勻速運動,從而讓放在在水平方向的物塊所受摩擦力在不同時間產生的水平形變量通過白紙的勻速移動呈現出來(如圖2)。



                          奇妙之二:理論與技術的銜接與碰撞

                          有了好的設想,接下來就是如何實現構想的完美呈現。首先需要思考的是三個問題:

                          1、怎樣拖動紙帶勻速運動;2、怎樣保證滑塊在相對靜止和相對運動的情況下均保持平衡狀態;3、怎樣記錄下滑塊在白紙上留下的點跡。

                          通過和工程師配合,我們迅速解決了第一個問題和第二個問題:用打印機的卷軸帶動白紙勻速輸出,用電動機帶動彈簧逐漸拉伸并最終拖動滑塊勻速滑動。然而,在解決第二個問題上去出現了兩個問題:一是記錄點跡的裝置不容易在很軟的彈簧上固定;二是彈簧一端的移動必須和白紙的移動同步,這就必須為白紙增加一個同步軌道裝置。這兩個問題中任一個問題要解決都非常棘手!

                          經過商討,我們最后決定把拖動彈簧一端來帶動滑塊改為彈簧一端固定在水平面上,另一端與滑塊連接,整個裝置放在勻速傳動的傳送帶上。這樣白紙傳動裝置就可以保持不動,而記錄點跡的軟筆就可以搭載在滑塊上。

                          通過這樣的改進,我們的設計初步成型(如圖3)。組裝后的器材在畫出第一張完美的圖像時,我們狂喜不已!

                          奇妙之三:山窮水盡疑無路,柳暗花明又一村

                          在看到器材驚艷地呈現出幾個瞬間后,接下來我們卻遭遇了不斷地失?。?/p>

                          一是在以后的實驗中,從最大靜摩擦到滑動摩擦的突變再也沒有呈現出來過;二是進入滑動摩擦力后本該是穩定的直線,但呈現出來的卻是曲線,有的時候還會出現另一個小高峰。

                          我們研究了很久,也換了很多種方案都不行,最后連和我合作的工程師都要放棄了,他認為這個器材根本就不可能做成功!

                          而我認為,只要沒到最后,絕對不能輕言放棄,我想應該有突破的方法!

                          我把這個半成品搬回家,冥思苦想。最后想到應該是材料出了問題。因為這個工業用的傳送帶不可能處處平整,所以導致細節出不來。

                          在接下來的材料選擇中,我做了各種各樣的嘗試:去找來建筑工地常用的石筆,把它磨成粉,涂抹在傳送帶上;把看起來很平整的打印紙、學生包書用的包裝紙裁剪下來放在傳送帶上;把不同木紋紙撕下來覆蓋在傳送帶上或者是用雙面膠貼在傳送帶上……,還試過全部覆蓋和部分覆蓋。

                          后來發現,只有一種質地比較好的木紋紙效果最好,而且不能撕下來直接貼在傳送帶上,因為傳送帶兩端的張力太大,會使木紋紙完全褶皺;當把木紋紙用雙面膠全部粘貼在傳送帶上時效果也不好。

                          最后,當我把木紋紙部分粘貼在傳送帶上時,我又看到那驚人的一幕!那種失而復得的驚喜真是難于言表!最終“摩擦力變化圖像演示儀”在歷經千難萬難后,終于得以呈現出它樸素而完整的面貌(如圖4)。特別是那張緩緩上移的白紙,好像牽動著每一個學生的心,更能直觀地體驗和感受出摩擦力由靜到動以及大小變化的全過程。

                          奇妙之四:在極端的痛苦煎熬中感悟科學的真諦

                          經過接近一個月的煎熬,我以為所有的問題都已經解決,最后只等收獲成功的喜悅了。

                          然而,就在謝老師比賽前的前一個晚上,儀器突然出現了很大的故障——完全沒法正常的運行,到最后甚至連一條完整的圖線都無法畫出來!我當時一下就懵了!因為這個教具是我們這次課程的點睛之筆,沒有這個教具,整個課堂魅力至少減少一半!這意味著我們將和一等獎幾乎無緣!除了馬上補救,我別無選擇!

                          然而,讓人沒有想到的是,研究到凌晨四點,還沒有找到一個突破口,我簡直要瘋了!我的腦海里浮現出各種很糟糕的結果。我立刻意識到這樣著急難過不解決任何問題! 

                          我開始做深呼吸,讓自己已經紛亂的心慢慢地靜下來!我不斷告訴自己:靜下來、靜下來!你一定可以找到突破方法的,相信自己!

                          之后,短短半小時不到,我竟然奇跡般地找到了突破口:一是因為臨走前為了美觀把比較丑陋的滑塊做了一個外包裝,固定在滑塊上的兩個系拉線的釘子被移動了位置,導致木塊滑動偏離了此前的位置;二是因為木紋紙長時間和滑塊摩擦,平整度因此發生了變化,這就是為什么我們每換一次木紋紙,都會出現很好的突變效果的原因!

                          凌晨五點半,我的儀器完全恢復正常!

                          雖然幾乎一夜沒睡,但我的心情快樂無比!因為通過這整整一夜的痛苦煎熬,我終于完全明白這個“摩擦力變化圖像演示儀”是多么了不起的創造!因為,它可以非常精確地檢測到物體表面粗糙程度的細微變化??梢哉f,它可以成為檢測物體粗糙程度是否一致的一個精密儀器!

                          通過這一段時間對這個器材的研究,經歷過疑惑、糾結與痛苦,也經歷過短暫的狂喜。最后,我收獲的不僅僅是儀器設計到制作的成功喜悅,還有對科學的深深的敬畏!

                          我沒有想到,一個小小的摩擦力竟然有那么多值得研究和思考的地方。這讓我更深刻地體會到科學理論和操作技術有著既遙不可及卻又近在咫尺的奇妙距離!


                          附:“摩擦力變化圖像演示儀”榮獲第十一屆全國中學物理自制教具大賽一等獎

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