奇妙的教具制作之旅

日期:2014-10-21 10:08 点击数:5887 

——“摩擦力变化图像演示仪”制作

重庆巴蜀中学   欧阳若晗

纵观中学物理学界,投身于教具制作的物理教师或教具公司的技术员,不在少数,每年市级、国家级的各种教具比赛也不在少数,可以说教材上出现或没出现的同种教具换着不同形式的制作已经被无数次的超越和更替。这就意味着要想让教具吸引大家的眼球,就需要更多的突破,更大的创新!就是在这样的背景下,我开始了痛并快乐着的“摩擦力变化图像演示仪”制作的奇妙之旅!

奇妙之一:创作的灵感来源

最初想到制作这个仪器,是源自谢东挽老师要参加由中国物理学会物理教学委员会举办的“第十一届全国中学物理青年教师教学大赛”的课程的需要,赛课的课题是《摩擦力》。我们准备通过一个仪器来形象描绘出水平接触面上物块随外力大小的变化,摩擦力由静摩擦变成滑动摩擦,其大小随时间的变化图像。在研究全国各地的优质课大赛以及淘宝上出售的各种摩擦力演示仪中,我发现,此前还没有一个教具,更能简单直观地让学生体验和感受出由静到动以及大小变化的全过程。在所有的全国赛课中,大家基本上用的都是传感器,然而,传感器对大多数的学生来说,似乎显得有些抽象而又陌生。

于是,我想就从学生熟悉的弹簧测力计入手,通过二力平衡由弹簧的形变量来反应摩擦力的大小。然而如何来显示不同时间下的摩擦力大小呢?

迷茫中,我突然想到在《简谐运动》这一节中,我们曾经用沙摆演示过简谐运动的正余弦图像。在这个实验中我们就是通过拖动沙摆下面的木板做匀速直线运动,把时间的变化转换成距离的均匀变化(如图1)。受到沙摆的启示,我也用一张竖直放置的白纸做匀速运动,从而让放在在水平方向的物块所受摩擦力在不同时间产生的水平形变量通过白纸的匀速移动呈现出来(如图2)。



奇妙之二:理论与技术的衔接与碰撞

有了好的设想,接下来就是如何实现构想的完美呈现。首先需要思考的是三个问题:

1、怎样拖动纸带匀速运动;2、怎样保证滑块在相对静止和相对运动的情况下均保持平衡状态;3、怎样记录下滑块在白纸上留下的点迹。

通过和工程师配合,我们迅速解决了第一个问题和第二个问题:用打印机的卷轴带动白纸匀速输出,用电动机带动弹簧逐渐拉伸并最终拖动滑块匀速滑动。然而,在解决第二个问题上去出现了两个问题:一是记录点迹的装置不容易在很软的弹簧上固定;二是弹簧一端的移动必须和白纸的移动同步,这就必须为白纸增加一个同步轨道装置。这两个问题中任一个问题要解决都非常棘手!

经过商讨,我们最后决定把拖动弹簧一端来带动滑块改为弹簧一端固定在水平面上,另一端与滑块连接,整个装置放在匀速传动的传送带上。这样白纸传动装置就可以保持不动,而记录点迹的软笔就可以搭载在滑块上。

通过这样的改进,我们的设计初步成型(如图3)。组装后的器材在画出第一张完美的图像时,我们狂喜不已!

奇妙之三:山穷水尽疑无路,柳暗花明又一村

在看到器材惊艳地呈现出几个瞬间后,接下来我们却遭遇了不断地失败:

一是在以后的实验中,从最大静摩擦到滑动摩擦的突变再也没有呈现出来过;二是进入滑动摩擦力后本该是稳定的直线,但呈现出来的却是曲线,有的时候还会出现另一个小高峰。

我们研究了很久,也换了很多种方案都不行,最后连和我合作的工程师都要放弃了,他认为这个器材根本就不可能做成功!

而我认为,只要没到最后,绝对不能轻言放弃,我想应该有突破的方法!

我把这个半成品搬回家,冥思苦想。最后想到应该是材料出了问题。因为这个工业用的传送带不可能处处平整,所以导致细节出不来。

在接下来的材料选择中,我做了各种各样的尝试:去找来建筑工地常用的石笔,把它磨成粉,涂抹在传送带上;把看起来很平整的打印纸、学生包书用的包装纸裁剪下来放在传送带上;把不同木纹纸撕下来覆盖在传送带上或者是用双面胶贴在传送带上……,还试过全部覆盖和部分覆盖。

后来发现,只有一种质地比较好的木纹纸效果最好,而且不能撕下来直接贴在传送带上,因为传送带两端的张力太大,会使木纹纸完全褶皱;当把木纹纸用双面胶全部粘贴在传送带上时效果也不好。

最后,当我把木纹纸部分粘贴在传送带上时,我又看到那惊人的一幕!那种失而复得的惊喜真是难于言表!最终“摩擦力变化图像演示仪”在历经千难万难后,终于得以呈现出它朴素而完整的面貌(如图4)。特别是那张缓缓上移的白纸,好像牵动着每一个学生的心,更能直观地体验和感受出摩擦力由静到动以及大小变化的全过程。

奇妙之四:在极端的痛苦煎熬中感悟科学的真谛

经过接近一个月的煎熬,我以为所有的问题都已经解决,最后只等收获成功的喜悦了。

然而,就在谢老师比赛前的前一个晚上,仪器突然出现了很大的故障——完全没法正常的运行,到最后甚至连一条完整的图线都无法画出来!我当时一下就懵了!因为这个教具是我们这次课程的点睛之笔,没有这个教具,整个课堂魅力至少减少一半!这意味着我们将和一等奖几乎无缘!除了马上补救,我别无选择!

然而,让人没有想到的是,研究到凌晨四点,还没有找到一个突破口,我简直要疯了!我的脑海里浮现出各种很糟糕的结果。我立刻意识到这样着急难过不解决任何问题! 

我开始做深呼吸,让自己已经纷乱的心慢慢地静下来!我不断告诉自己:静下来、静下来!你一定可以找到突破方法的,相信自己!

之后,短短半小时不到,我竟然奇迹般地找到了突破口:一是因为临走前为了美观把比较丑陋的滑块做了一个外包装,固定在滑块上的两个系拉线的钉子被移动了位置,导致木块滑动偏离了此前的位置;二是因为木纹纸长时间和滑块摩擦,平整度因此发生了变化,这就是为什么我们每换一次木纹纸,都会出现很好的突变效果的原因!

凌晨五点半,我的仪器完全恢复正常!

虽然几乎一夜没睡,但我的心情快乐无比!因为通过这整整一夜的痛苦煎熬,我终于完全明白这个“摩擦力变化图像演示仪”是多么了不起的创造!因为,它可以非常精确地检测到物体表面粗糙程度的细微变化。可以说,它可以成为检测物体粗糙程度是否一致的一个精密仪器!

通过这一段时间对这个器材的研究,经历过疑惑、纠结与痛苦,也经历过短暂的狂喜。最后,我收获的不仅仅是仪器设计到制作的成功喜悦,还有对科学的深深的敬畏!

我没有想到,一个小小的摩擦力竟然有那么多值得研究和思考的地方。这让我更深刻地体会到科学理论和操作技术有着既遥不可及却又近在咫尺的奇妙距离!


附:“摩擦力变化图像演示仪”荣获第十一届全国中学物理自制教具大赛一等奖

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