毕业设计（论文）-功能转换教具设计与制作.docx

：本科生毕业论文（设计）功能转化教具的设计与制作Design and manufacture of the transformation of the functions of teaching aids专 业 物理学 姓 名 学 号 指 导 教 师 完 成 时 间 2016.6.5 附件2：独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得商洛学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 日期： 关于论文使用授权的说明本人完全了解商洛学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。公开 保密（_年_月） (保密的学位论文在解密后应遵守此协议)签名： 导师签名： 日期目 录1 引言22 功、能转化的基本知识2 2.1 功的概念2 2.2 能的概念3 2.3 功和能认识的发展史33 物理教具的背景4 3.1 物理教具的概述4 3.2 国内外教具历史发展5 3.3 我国物理教具现状54 功能转化教具的设计与使用6 4.1 设计1（热-功转化实验装置）6 4.1.1 设计思路6 4.1.2 实验原理7 4.1.3 实验材料及制作工具（表）8 4.1.4 实验装置介绍与制作过程8 4.1.5 实验现象分析10 4.1.6 实验总结10 4.2 设计2（基于弹簧的功能转化实验装置）10 4.2.1 设计思路10 4.2.2 实验原理11 4.2.3 实验材料及制作工具（表）12 4.2.4 实验装置介绍与制作过程12 4.2.5 实验现象分析14 4.2.6 实验总结145 功能转化在生活中的应用与思考14参考文献15致谢17功能转化教具设计与制作功能转化教具设计与制作摘 要：能量的转化和守恒是物理学的基本定律，体现了自然界的对称美。功是能量转化的度量，能是物体做功的本领，功是过程量，能是状态量。以能量守恒为基础原理，设计制作1为热-功演示实验装置，本装置用于物理演示实验教学，可清楚直观的看出热能与物体做功之间能量的转化过程。设计制作2为基于弹簧的功能转化实验装置，本装置用于物理演示实验教学可以演示功能相互转化装置。两个实验装置引入教学，有趣的实验现象，简单的装置，能让学生更好地掌握能量守恒定律和功能转化关系，可以增加学生学习物理的兴趣，激发学生物理探究的热情。本设计采取了建立模型思想，将抽象知识变具体实验演示的方法，可以培养学生学习能力，尤其是应用知识解决问题的能力。关键词：模型；功能转化；热-功演示实验装置；基于弹簧的功能转化实验装置 Design and manufacture of the transformation of the functions of teaching aidsAbstract: the transformation and conservation of energy is the basic law of physics, reflecting the symmetry of the United States and the United states. Power is a measure of energy conversion, energy is the ability to work is the work object, process, can be state. Based on energy conservation based principle, design and production of 1 is thermal power demonstration experiment device, the device for teaching physics demonstration experiment can clearly see intuitive acting the heat and the object between the conversion process of energy. The design and manufacture of the 2 is based on the spring of the functional transformation of the experimental device, the device for physics demonstration experiment teaching can demonstrate the function of mutual transformation device. Two experimental device into teaching, interesting experimental phenomena, simple device, can make students better grasp law of conservation of energy and the function transformation, can increase the students physics study interest, arouse the enthusiasm of students in physics inquiry. This design adopts the method of establishing the model thought, and it can be used to train the students learning ability, especially the ability of applying knowledge to solve the problem.Key words: Model； function transformation；thermal power demonstration experiment device；spring based functional transformation test device I1引言守恒定律是自然界最深刻、最简洁的陈述，它比物理学中其他规律（例如牛顿运动定律、匀速直线运动规律）更重要，更基本。它是由宏观现象总结出的几个守恒规律，在微观世界也已经严格检验，证明它行之有效，自然界至今还没有发现违反它们的事例。在守恒的过程中，从质点的动能定律发展为机械能守恒定律，中间必须用到功能转化的原理。本次论文目的是用实验让学生看清功能转化的物理规律的变化过程，帮助学生学习功能转化关系。2功、能转化的基本知识2.1功的概念物理学中，机械功是指力对距离的累积。机械功通常简称为功。与机械能相似的是，功也是标量，国际单位制单位为焦耳。“功”一词最初是法国数学家贾斯帕-古斯塔夫科里奥利创造的1。具体定义如下；物体在力的作用下发生一无限小的位移（元位移）时，此力对它做的功（work）定义为，力在位移方向的投影和此元位移大小的乘积。以表示元功，则 式中为与之间的夹角，把两个矢量的上述乘积叫做矢量的标积，并简写为 当0时，0，L力对物体做正功。当，0,力对物体不做功。当时，0,力对物体做负功2。 2.2能的概念为了探求各种运动形式的相互转化以及在转化中所存在的数量关系，我们必须选用一个能够反映各种运动形式的共性的物理量，作为各种运动形式的一般度量，这个量就是能量。能量是物质表征物理系统做功的本领的量度，简称“能”。物质的运动形式多种多样，每一个具体的物质运动形式存在相应的能量形式3。2.3功和能认识的发展史伽俐略将力和路程的乘积称为“矩”即功；他还发现物体下落过程中所能达到的最大速度能够使它跳回的高度不会超过下落的高度，隐含了机械能守恒的思想4。牛顿在他自然哲学的数学原理中对“力”定义，其中一个定义为：外加力是一种为了改变一个物体的静止或等速直线运动状态而加于其上的作用力。此定义表明：力只存在于作用的过程中，当作用过去以后，它就不再留在物体之中”，即考虑物质“具有”多少可以使其他物体或本身产生某种效应的“能力”，简称能，“外来的力”是物体运动变化的“源泉”，由于强调了“力”对物体来说是外来的，因而包含了物质、运动分离的思想，这样“力”就被看成物体相互作用的数学表示5。牛顿时代，人们对力、能、运动量的概念都是由“力”来凑合扮演，力学体系在逻辑上，数学表达上还不够俱全，在不同意义上使用这一概念描述力的各种效应时，就会有不同的结论。从而引起了笛卡儿学派和莱布尼兹学派，关于“运动量度”的一场旷日持久的争论。1644年，笛卡儿在哲学原理中采用了“运动量”一词，主张用运动量作为机械运动的量度，提出运动量守恒定律切物体的总运动量不变。后来牛顿在原理中，沿用了“运动量”。不久，惠更斯等人发现了运动量具有方向性，这样动量及动量守恒定律就具有了现代意义下。1669年，惠更斯曾提出碰撞中动量守恒6。1686年，莱布尼兹利用了惠更斯的上述结论，提出才是运动的“真正”、“惟一”量度。 1695年，提出将“力”分为“死力”和“活力”两种，他把 定义为“活力”，提出“活力守恒定律”。早期的工业革命中，工程师们往往不用活力，而是用与活力等值的物体的重量与路程的乘积作为机械功效的量度，直到1820年，法国科学家科里奥利把这个量称为“功”。1826年，法国科学家蓬瑟勒明确定义了“功”。 “能量”最早在1807年由托马斯杨提出“活力”， 能量的概念最早是由19世纪初英国物理学家杨（T.Young）引入的。能量的概念的巨大价值在于它形式上的多样性以及不同能量形式之间的可转换性7。但是直到了1847年，迈尔和亥姆霍兹发现能量守恒定律时仍用“力”表示。现代意义的能量概念，直到1853年才被W汤姆逊定义“当它从一个给定状态无论以什么方式过渡到任意一个固定的零态时，在系统外所产生用机械功单位来量度的各种作用的总和”，明确了功能之间的关系，1867年，汤姆逊确定“动能”，“势能”的概念。 从功能发展历史，可以看出人们对功能关系的探索，是艰辛而漫长的，许多物理学家对此付出了很大努力，直到工业革命时期，综合应用用热机，才得出明确定义，在现在的教育背景下，学生应该清楚的知道和认识功能关系和守恒思想，是需追寻科学家的脚印。物理实验是对物理原理的展示，在实验过程中可以探索物理规律，找到科学探究的方法，因此我们都要做功能转化关系的教具8。3物理教具的背景3.1物理教具的概述 物理实验是物理学的基础。物理学家正是用一些简单明了的演示实验来展示物理现象，测试物理规律。自制教具是师生应用物理原理，采用常见材料和简单工艺设计、制作的实验设备，可用于实在教学过程中，促进教学。避免了厂家制造的仪器能让学生看到仪器的内部构造，不利于展示物理原理探究；更重要的是：当学生看到那些用生活物品与身边常见的材料来做实验，会使学生觉得物理离自己更近，容易激发学生热爱物理、热爱科学的情感9。3.2国内外教具历史发展 17世纪现在的自然科学诞生，18世纪掀起了产业革命，欧洲的新式学校里出现许多讲解自然科学原理的生产技术原理的教具。例如力学方面的牛顿第一、三定律实验，热学方面物态变化实验，声学方面关于噪音的实验，光学方面关于衍射、干涉的实验，电学方面的欧姆定律等。这些教具从无到有，直到基本成套大约花了两百年时间10。 我国在古代就有简易的教具，那是我们用那些东西来做为掌握技能的工具。例如弓箭、刀枪等等。可惜不重视教具原理的原理展示。直到近代西方文化进入我国我们才设计了依据原理，展示应用的教具。改革开放以来国家加大了对教育教材教具的投入。现代在我国通常把教具、教学仪器、教学设备等同起来使用11。在推行全面素质教育的大趋势下，其核心是培养具有创新意识和实践能力的劳动者和专业人才。我们有必要使学生在学习过程中创新能力、动手能力得到全面发展，提供适合学生探究的自制教具，让物理走进生活中的知识，实验技能和培养学生科学品质。物理教具可以用生活中的东西解释生活的原理，改变课本和成套仪器单一的学习方式，使得科学知识更加形象生动的展现在学生面前，有利于物理学习12。4功能转化教具的设计与使用4.1设计1（热-功转化实验装置）4.1.1设计思路1思路来源 在初中物理（鲁科版）第十一章热和能 第五节“热机 ”时，有一个“利用内能做功”演示实验，课本上的实验如图所示，在试管能放适量的水加在铁架台上，然后用软木塞或橡胶塞塞住试管口，点燃酒精灯对水加热，当水沸腾时试管塞会突然喷出如图4-1-1-1所示，同时试管里的热水也会喷出。这个实验简单清楚地表达了利用内能做功，但是危险性较大，不太适合在课堂做演示实验。装置如图4-1-1-2所示13图4-1-1-2 图4-1-1-1因此，笔者对此实验进行了改进： 改进（1），操作可控性强，安全性提高。 改进（2），实验发生过程缓慢，现象有趣，便于学生观察。2思路过程 在利用内能做功的实验基础上进行改进，因此实验思路过程大致可以分为以下几个步骤；3实验方法 热-功转化实验装置利用酒精灯给烧杯加热，使烧杯里的水内能增大，水分子在导管力由无规则运动变为从管道里运动，温度不断升高，水的内能不断增大，最终使得导管里的活塞向上运动，实现内能转化为机械能使物体做功14。4.1.2实验原理 本次实验以内能转化为势能，使物体做功为原理，因此实验原理可以分为以下两个基本点。1基本理论依据本实验装置是功能转化应用的装置，依据热机原理制成。热机是把内能转化为机械能，提供动力的装置。曾经因为发明热机而引起了第一工业革命，在人类的生活与生产中起到重要的作用。热机的工作原理：由内能通过做功转化为机械能15。热功转化实验装置是通过热传递，通过酒精灯给烧杯里的水加热，使水的内能增大使水的内能增大，水分子在烧杯里不断运动，气体膨胀，通过管子把能量传递出去，推动动力装置中的活塞运动，克服重力和摩擦力做功，使得动力杆上升16。2热-功装换实验装置热-功转化实验装置模型用酒精灯使水内能增大，然后通过导管使活塞克服重力和摩擦力做功17。如图4-1-2所示。图4-1-24.1.3实验材料及制作工具（表）序号实验仪器作用价格（元）备注（cm）酒精灯加热25溶液烧杯盛装物品15溶液自制木架1支撑22526、1514.5自制木架2支撑22436针管导流110管子导流140橡胶塞密封14.1.4实验装置介绍与制作过程1装置实物简介在烧杯里放150毫升左右的水，给烧杯口用橡胶塞密封住（增加装置的气密性），然后把烧杯放在自制的木架子上面。连接好馆子和其他仪器。如图4-1-4-1所示 图4-1-4 图中1-工作物质箱、2-工作物质、3-支架1、4-热源、5-气缸、6-动力杆、7-活塞、8-支架2。 本实验用1-工作物质箱、2-工作物质、3-支架1、4-热源、5-气缸、6-动力杆、7-活塞、8-支架2。把2-工作物质装于1-工作物质箱中，然后置于3-支架1上的4-热源上进行加热，加热后，工作物质分析通过5-气缸经导管进入8-支架2上的含有6-动力杆的7-活塞中。2实验过程（1）给酒精灯盛容积的酒精，在工作物质容器箱里-烧杯里放150毫升左右的水，如图4-1-4-1所示；（2）放好支架和容器箱等；调整好装置各部分之间的相对位置；（3）点燃酒精灯，然后给烧杯加热510min；（4）调整好各个仪器之间的位置。如图4-1-4-2所示；（5）实验结束后，熄灭酒精灯，把管子和针管放回指定地方。 图4-1-4-2图4-1-4-1 4.1.5实验现象分析 本次实验酒精灯加热，烧杯里的水逐渐变热，在烧杯外层有许多小水珠，随着温度的升高水从管子里慢慢出去，管子变热，最后使得针管里面的活塞向上运动，实现热能转化为动能使活塞运动的现象。但是由于本次实验是自制教具，密封性不是很强，因此实验最后还是加了一些防止散热的装置，如泡沫等等。这样使实验更加清楚明了。4.1.6实验总结本此实验利用酒精灯给水加热，使水的内能增大，最终给针管里的活塞运动。本实验装置实现了能转化为功的基本理论。简单明了的表达了实验的功能转化的思想和意图。改进了原来实验的危险性，使得实验更符合教学的要求和规范。4.2基于弹簧的功能转化实验装置4.2.1设计思路思路来源 在体育活动中同学们喜欢打篮球，在篮球运动的过程中，人们给篮球施加力使它重力势能减小，动能增大，然后在接触到地面时，接触地面的那部分压缩，最后变为弹力，即动能转化为弹性势能。慢慢的弹性势能减小，重力势能增大。一个周期结束。 图4-2-1在这个过程中，功能转化现象非常明显。基于这个思想，笔者设计了基于弹簧的功能转化实验装置。2思路过程 利用重力做功实现功能转化的大致思路过程为： 4.2.2实验原理1基本理论依据本实验装置是功能转化应用的装置，利用小球和弹簧实现功能之间相互转化。基于弹簧的功能转化实验装置过程为小球下落，重力势能减小，动能增大，在小球接触到到弹簧时，动能逐渐减小，弹性势能逐渐增大，当动能全部转化为弹性势能时，由于惯性，小球不能静止，弹性势能向上使小球向上运动。一个周期结束。2基于弹簧的功能转化装置模型基于弹簧的功能转化装置原理为小球重力势能较小，动能增大，动能转化为为弹簧弹性势能，当全部转化时，弹簧获得最大弹性势能，将小球向上顶起，弹性势能转化为小球的动能，小球的重力势能增大。如图4-2-2所示 图4-2-24.2.3实验材料及制作工具（表）序号实验仪器材料作用价格备注1塑料管合成树脂支撑240cn2小球金属动力315mmX15mm3木架子木质支撑225cmx25cm4弹簧金属压缩510cm4.2.4实验装置介绍与制作过程1装置实物简介 把弹簧放入塑料管一段并固定，然后把塑料管和木架子固定一起，让小球管子另一端自由下落如图4-2-4所示。 图4-2-4塑料管 2实验过程把小球放在管子的最高处，让其自由下落，然后观察小球运动特点和弹簧形变的特点。小球下落的过程可以分为四个过程。（红线为小球运动范围，黑线为运动方向） （1）重力做功，重力势能减小，动能增大 (2) 动能减小，弹簧弹性势能增大 (3) 弹簧的弹性势能减小，小球动能增大 (4) 动能减小，重力势能增大，重力做负功4.2.5实验现象分析本次基于弹簧的功能转化实验装置，让小球用重力做功实现了功能之间的相互转化，但是根据能量守恒定律，重力做功没有全部转化为弹簧的弹性势能，其中一部分由于弹簧和塑料管之间存在摩擦导致能量损失。 4.2.6实验总结 本次基于弹簧的功能转化实验装置实现了功能之间的相互转化。实验采用弹簧和小球作为原料，用重力做功实现功能之间相互转化，实验简单，现象明显，可以直观的看出功能之间转化的原理特点。5功能转化在生活中的应用与思考现实生活中处处充满了物理现象。在这些物理现象的背后充满了许多的物理规律。其中能量守恒这个规律是自然界普遍的物理规律之一。物体的做功伴随着能量的变化，我们可以用功能转化说明，他符合能量守恒规律。首先，在交通方面，如火车的运动，电能转化为动能。使物体运动，方便人们出行。还有其他自行车、小轿车、摩托车等等。他们都是用功能转化的方式方便我们的生活。在家庭里中电视机、洗衣机、缝纫机等等，他们利用电能转化为我们需要的能量为我们所用。知识来源于生活，然后运用于生活。在教育学习中我们学习功能转化，不要只在于学习课本上得知识，我们要把课本知识和生活中的实际生活联系起来，让我们学习的字灵活，生动。因此我们可以在高中的教学中利用好的教具使学生感觉无力实验简单，方便，使他们不感到畏惧，让他们懂得知识来自于生活，让学生喜欢学习，热爱学习，让教育使每个学生都感到有自己的存在感，让每一位学生得到满足感，不要让他们在死死的在课本的知识上学习，让知识和我们的生活互相融合互相“转化”。参考文献1 王竹溪. 能量守恒定律J. 物理, 1951(3).2 冯云光.非惯性参考系中的动能定理.机械能转换和守恒定律【J】.铜仁师范高等专科学校学报（综合版）.2003(3).3 杨述武主编.普通物理实验（四、综合及设计部分）. 教育出版社.20004 王竹溪. 能量守恒定律J. 物理, 1951(3).5 引导“守恒还是不守恒？”问题驱动的实验观察与分析引导初中生建构对能量守恒的认识期刊论文物理教师2015(9).6 关于选修31焦耳定律的一点想法期刊论文文理导航（下旬）2012（3）7 孙汝继.对能量及其转化规律的教学是物理教学的核心J. 承德民族职业技 术学院学报. 1999(04).7 房朋朋.如何应用功能关系和能量守恒定律J. 中学生理科应试. 2016(Z1)8 李嘉殉.齐晓环.Li Jiaxun.Qi Xiaohuan 热功电转化演示实验装置的设计与制 作期刊论文-物理通报 2015(8).9 马树峰 “利用内能做功”的实验的改进期刊论文-中学物理（初中版）2015(3).10 程守洙.江之永主编普通物理学（第六版 上册高等教育出版社 11 张文杰,