运动黑箱——运动分解实验

张鸣鹤

摘要：“运动合成与分解”知识点中的运动分解问题，学习者常因其抽象和复杂，不易找寻分运动效果及方向，使得此问题的学习研究难度较大。通过运动黑箱实验，力求让学习者理解分运动的效果，辅助、简化学习难度。

关键词：运动分解；运动黑箱实验；分运动效果；小车

在人教2003课标版教材和2019版新教材中，有关《运动合成与分解》的课例中，均有运动合成的“红蜡块实验”，却都没有涉及有关“运动分解”的演示实验或者学生实验。而学生关于此部分内容的学习，理解难度和《力的合成与分解》颇为相似，擅长于合成而弱在分解，往往在运动分解时寻找不到两个分运动的方向，虽然教师常常以“效果”为根源进行讲解，但仍有很多学生在理解时存在不同程度的困惑，而死记硬背分运动方向的做法也并不理想，学生可以记住 “沿绳”和“垂直绳”，却常常会找反垂直绳的分运动方向，种种原因始得“运动分解”成为学生学习的难点之一。本实验效仿“电学黑箱实验”，意图通过层层揭秘的方式，由浅入深、由表及里的探究，帮助学生简化并理解运动分解问题。

一．实验目的

设计 “运动黑箱”实验的目的是为学习者学习“运动分解”问题而准备的探究性实验；力争通过由表及里、由浅入深，层层揭秘的方式，帮助学习者寻找物体某一运动的两个分运动效果，辅助学习者理解运动分解问题；

二．实验仪器

运动黑箱（长方体箱子，箱内左侧面上端及底面右端分别固定一定滑轮），彩灯绳1根，细绳1根，小车，重锤2个，遮挡布；

三．实验仪器装置图及仪器的组装说明

1.仪器外观为一个封闭的长方体箱子；其正前面由两个可独立开启的扇形门A和解密门B组成，A、B两门之间存有缝隙（见图一）；箱子左侧面上方有一小孔，穿有可拉动的彩灯绳——牵引绳（见图二），牵引绳另一端置于箱内；箱子背面底部亦有一个小孔，穿有可拉动的细绳——复位绳（见图三）；

2.仪器内部左侧面上端固定一定滑轮，牵引绳置于箱内的一端跨过此定滑轮连接一小车，小车上有增重用的重锤；小车尾部连接一根复位绳，复位绳绕过箱内底部的定滑轮由背面的小孔引出（见图四）

 

四．实验操作

探究环节1.仪器外观被遮挡布遮住；向左拉动牵引绳，观察可视范围内牵引绳上各点的运动方向（见图五）；

结论一：细绳各点向左沿绳方向运动；

探究环节2.撤去仪器的遮挡布，可见仪器正前面扇形门A和遮挡门B之间有一缝隙；再次向左拉动牵引绳，观察狭缝中的牵引绳的运动趋势（见图六）；

结论二：牵引绳在圆周边界上沿圆周顺时针方向移动，即绳上各点沿各自到定滑轮的绳长为半径的圆周的切线方向运动；

揭秘环节3.打开仪器的扇形门A，可见箱内左侧面上端固定一定滑轮，牵引绳跨过定滑轮，另一端置于箱内仍不可见；再次向左拉动牵引绳，观察箱内可视范围里牵引绳上各点运动特点（见图七）；

结论三：箱内细绳上的各点同时参与了两个方向的运动，一个分运动是沿绳收缩方向运动，另一个分运动是沿圆周切线方向即与细绳相垂直的方向；

揭秘环节4.打开仪器的解密门B，箱子内部构造一览无余，牵引绳置于箱内一端连接一辆有负重的小车；再次向左拉动牵引绳，观察负重小车的运动（见图八）；

结论四：小车沿水平面向左运动；

总结：牵引绳与小车相连处的点属于绳上一点，同时参与了沿绳与垂直绳方向的运动，而该点又与小车相连，其运动恰恰反馈出小车的运动；即小车沿水平方向向左的运动可分解为沿细绳方向的分运动和与细绳垂直方向的分运动（见图九）；

 

五．总结

本实验，外观看来，拉动细绳就是一根细绳的移动；当黑箱展露出一半的内部构造时，再拉动细绳又可见明显的圆周边运动；综合以上两个实验现象，得出结论，细绳上的各点同时参加了两个互相垂直方向的运动，即“沿绳”和“垂直绳”方向；最后，当箱内部全部展现一览无余时，答案揭晓，原来细绳牵引着一辆负重小车。小车的运动可用细绳上点的运动来模拟，进而得出小车水平运动的分运动效果及方向，即“沿绳”和“垂直绳”方向。