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动能和重力势能、弹性势能相互转化 论文动能和重力势能、弹性势能相互转化 论文
动能和重力势能、弹性势能相互转化实验的改进
万源市河口中学 张长生
在初中物理(教科版)《机械能的转化》一节的教学中,有关动能和重力势能间相互转化的知识,教材中运用了小孩荡秋千(单摆)的例子。在荡秋千过程中,上升过程,下降过程各阶段小孩的运动快慢,所处的位置(高度)都能看出来或感知到。所以,动能和重力势能间相互转化的知识教学难度不大。对于动能和弹性势能间的相互转化,教材中用了被压缩的弹簧将小球弹起的演示实验,这一演示实验具有可见度大,演示材料容易找到,实验的成功率高等优点。但也有很多缺陷,如实验时被压缩的弹簧恢复形变的时间极短,学生不易观察到;恢复过程中,弹簧的形变量的变化,小球的能量变化不易感知;教材中的演示实验只能阐明弹性势能向动能的转化,无法演示动能向弹性势能的转化。所以,学生在学习动能和重力势能、弹性势能相互转化的知识时理解的难度较大。结合我多年的教学经验,对教材实验进行了改进,制作了动能和重力势能、弹性势能相互转化的演示实验。本装置能解决教材演示实验所不能解决的问题,大大降低了教学的难度,效果显著。
制作材料:
长木块四块(A:40cm×10 cm×2 cm一块,B:45cm×4 cm×1 cm两块,C:38cm×4 cm×2 cm一块, D:13cm×3 cm×1 cm一块),滚摆,弹簧,细线,扳手,8号螺栓螺母,剪刀,铁片两块(制成L型,在较短的一边中间开一空槽,槽宽稍比8号螺栓的直径大。较长的一边上端开孔,孔径稍比滚摆转轴直径大一些)。润滑油(用机油或植物油)一瓶。
制作方法:
把长木块A、B、C制成一个框架,A做成底座,B做成高,C为横梁,在横梁下表面中央固定一小铁环或小铁钩,底座的中线上开两个孔,孔径比8号螺栓的直径稍大,根据滚摆转轴的长度用8号螺钉把L型铁片固定在底座的中线上,制成一个支架,并把滚摆放在支架上,调整支架至滚摆能够自由转动,并打上润滑油,尽量减小摩擦,把弹簧挂在横梁上的挂钩上,弹簧下端挂上小木块D,小木块下表面在等距的两端分别固定一个小铁环或小铁钩。用细线分别把小木块两端的铁环(铁钩)与滚摆轴两端的小孔连接起来,调节好细线的长度。在横梁和小木块上分别开两小孔待用。
使用方法:
1、探究动能和弹性势能的相互转化
根据滚摆转轴的长度用8号螺钉把L型铁固定在底座的中线上,制成一个支架,并把滚摆放在支架上,调整支架至滚摆能自由转动,并在转轴上打上润滑油以减小摩擦,把弹簧挂在横梁上的挂钩上,弹簧下端挂上小木块D,小木块下表面的等距的两端分别固定在一个小铁环或小铁钩 ,用细线分别把小木块两端的铁环与滚摆两端的小孔连接起来,调节好细线的长度。实验时先用手转动滚摆,让细线缠绕在转轴上,此时,滚摆将通过细线把弹簧拉长,注意不要超过弹簧的弹性限度,松开手后滚摆就会转动起来。学生很直观地看到刚开始实验时,弹簧被拉长了,发生了弹性形变,具有弹性势能,滚摆处于静止状态,若以滚摆转轴的轴心线为参照,此时,滚摆的机械能为零,既而弹簧收缩拉动滚摆转动,弹簧把弹性势能转化为滚摆的动能。弹簧恢复到原状后,转动的滚摆会拉动弹簧使之伸长同时滚摆的转速减小渐至零(静止)。这一过程中滚摆的动能转化为弹簧的弹性势能。就这样重复上述两个过程实现动能和弹性势能的相互转化。(如图一)
(图一 动能和弹性势能相互转化的演示实验)
2、探究动能和重力势能的相互转化
用扳手取下L型铁片,取下弹簧,用长螺栓把小木块D固定,并通过调整螺母的位置来调整小木块的高度,从而控制滚摆的高度以及小木块水平以便让滚摆转轴水平,实验时,用手转动滚摆,细线会随着滚摆的转动缠绕在转轴上,同时滚摆也被举高,在最高点静止的滚摆具有重力势能,既而滚摆下降、上升这样往复运动,在下降过程中,滚摆运动的速度增大,动能增大,滚摆的高度逐渐减小,滚摆的重力势能逐渐减小。滚摆的重力势能转化为滚摆的动能,上升过程,滚摆的速度减小,动能减小,滚摆不断被举高,重力势能增大,在这一过程中,动能转化为重力势能。在滚摆的往复运动中实现动能和重力势能的相互转化。(如图二)
(图二 动能和重力势能的相互转化的演示实验)
可行性分析:
1、本装置在实验时现象直观、可见度高、适合班级和小组教学。
2、本装置能同一装置演示说明多个现象,节省资源
3、教材中关于动能和重力势能的相互转化用了单摆、滚摆实验,实验现象直观,效果好。而关于动能和弹性势能的相互转化,教材中只列举了弹簧将小球弹起和跳蹦床两张图片。作为农村中学而言,蹦床绝大多数学生未见过或仅在电视中见过。因此,无法让学生细致的了解其能量转化的过程。
4、使用本装置能让学生直观的了解到各个能量转化过程中,各种能量的逐渐变化情况。是对教材演示实验的补充和完善。
5、本装置也能用于介绍功和能等相关知识,如运动的滚摆能拉伸弹簧,从
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