关世彪 马经伟 张国栋

摘 要：针对火车转弯问题制作了三组教具，模拟了火车平面与斜面转弯问题，丰富了演示实验手段.有助于学生形成清晰的科学观念，建构合适的物理模型，为学生进行以后的科学探究做准备.

关键词：实验群开发;自制教具;火车转弯

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）19-0049-02

作者简介：关世彪（1975-），男，黑龙江双城人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理教学;

马经伟（1992-），男，黑龙江大庆人，本科，中学二级教师， 研究方向：中学物理教学.

通讯作者：张国栋（1981-），男，河北清苑人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理教学.

对于火车转弯问题，课程标准中提到“建议调查铁路拐弯处两条铁轨间的高度差异”，人教版教材在“生活中的圆周运动”中也列举了转弯实例.火车虽然常见，但学生对车轮构造，轮缘作用，平面和斜面转弯时模型的建立、理论分析等存在困难.为了模拟更加真实的情景，笔者制作了火车转弯问题演示教具.

1 火车水平转弯

1.1 器材介绍

火車玩具套装（如图1），锡箔纸自制电刷（如图2），电池组，蓝色、绿色发光二极管等（如图3）.

1.2 实验原理与关键点

电路图如图4所示.

实验原理：利用火车轮缘（粘贴导电铝箔）与铁轨（粘贴导电铝箔）之间接触作为开关，控制相应侧的发光二极管发光，表现轮缘与铁轨间存在相互作用力.火车转弯时，由于火车需要指向圆心的向心力，所以外侧轮缘会与外侧轨道接触挤压，进而接通外部轨道电路，外侧轨道处的发光二极管发光.

实验关键点：导电轮缘与电路连接需要电刷联通，电刷使用了弹性强的导线内芯制成;导电铁轨铺设导电铝箔时，铝箔要延伸到轨道水平部分，车载电刷与水平部分铝箔联通，以达到运动中保持良好接触.为了提升火车的转弯速度，可将火车自带的4.5V电源改成9V电源.

1.3 演示步骤

先用手将火车分别触碰贴有锡纸的直轨道，将火车受力方向与亮灯情况联系起来.火车平面转弯时，引导学生观察火车内侧、外侧的亮灯情况，进而说明火车平面转弯时挤压外侧轨道.

2 火车斜面转弯与声音组件结合

2.1 实验器材

钢球用来模拟过弯道的火车，木支架与窗帘轨道组合（如图5）使钢球进入轨道时具有不同的速度，带有倾斜盆沿的透明盆作为倾斜轨道（如图6），办公用资料夹的外壳作为内外轨，铜片与易拉罐做接触开关（如图7），可录音的小喇叭（如图8）作为高、低速过弯道时的语音提醒.

2.2 实验原理与关键点

调节钢球在倾斜轨道上的位置可以改变球进入倾斜盆沿的速度大小，如果位置合适，球可以既不挤压内轨道也不挤压外轨道.如果释放位置更高，球会挤压外轨的接触开关，贺卡会播放事先录入的声音：“火车已经超速，请减速慢行.”同理，如果释放位置偏低，内轨开关接通，也会听到提示音：“火车车速过慢，请加速.”由于易拉罐制作的开关韧性很好，可反复多次实验.

关键点：一是易拉罐制作的接触开关位置应尽量靠近轨道，位置过高会发生球挤压不到开关的现象;二是内外轨上的接触开关需要前后错开一定位置，以免误触.

2.3 演示步骤

先进行器材介绍，用手指分别触碰内外轨道的接触开关，让学生听提示.然后将钢球分别从不同的高度释放，演示其发生不挤压（实际上完全不触碰接触开关很难，但如果挤压力度不大，开关也不会报警）轨道、挤压外轨、挤压内轨三种情况.

3 火车坡路转弯与发光组件结合

3.1 实验器材

有机玻璃管，纽扣电池，手动开关，软导线，蓝、绿两色发光二极管，硬弹簧，硬导线（沿弹簧轴线插入），钢球（如图9）.

3.2 实验原理与关键点

电路图如图10所示.手按压力开关（按下导通，放开断路）与由硬弹簧、硬导线、钢球组成的接触开关串联在电路中，手按压力开关是为了防止由于玻璃管摆放位置不当造成的电路导通的现象.教具制作的难点是弹簧、导线头、钢球间的位置关系，硬质导线需要比弹簧稍微短一点，但如果短太多，灵敏度不够，效果不好.

3.3 演示步骤

先进行电路与接触开关的介绍，演示钢球触碰两侧弹簧时亮灯情况.接着将玻璃管倾斜模拟火车斜轨道，在水平方向以适当的速度转动，当转速合适时没有灯发光;当转速过慢时，内侧灯发光;当转速过快时，外侧灯发光.

此外，本实验能够很好说明球在竖直圆周最高点时的杆球模型问题，该教具正在申请专利，已经取得初步成果.

最后，关于铁轨和车轮的演示模型，现在可以买到很多等比例缩小的钢轨和车轮.完全可以改成分组实验，让学生亲身感受一下，在此就不赘述了.

参考文献：

[1]王兴乃.高中物理实验大全[M].北京：电子工业出版社，1988.

（收稿日期：2021-07-01）