問題驅(qū)動探究拋體運動規(guī)律

湯守平 謝玉榮

(江蘇省天一中學 江蘇 無錫 214101)

根據(jù)上一節(jié)的學習，我們知道：平拋運動可分解為水平方向勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動．它們真的按照這樣的規(guī)律運動嗎？你能否通過實驗證實呢？

1 探究平拋運動在豎直方向的運動規(guī)律

研究問題：平拋運動在豎直方向是什么運動？

設計驗證：引導性提問“你能否設計實驗來驗證？”

實驗設計：學生提出、交流方案；集體討論、修改完善，確定最佳設計；與現(xiàn)成儀器對比，借鑒優(yōu)良設計．

分析結(jié)論：讓兩個物體同時開始運動，一個做自由落體運動，一個做平拋運動，看它們是否同時著地；同時落地則證實猜想．

生成性問題：如何判斷兩個小球是否同時落地？

分析討論：學生有可能提出的方法(直接看；耳朵聽；利用數(shù)碼相機拍頻閃照片.討論采用哪種方法？課堂上聽的方式最簡單易行，所以用聽的方式)

實驗操作：學生代表利用平拋運動和自由落體運動對比演示儀驗證猜想，如圖1所示．

圖1 平拋和自由落體運動演示儀

說明：驗證平拋運動在豎直方向是自由落體運動的教學過程中，讓學生參與實驗設計、儀器選擇的探究過程，激發(fā)了學生實驗探究的動機和創(chuàng)造性思維的火花，培養(yǎng)了學生的設計探究能力和創(chuàng)新能力．

探究結(jié)論：平拋運動在豎直方向應是自由落體運動；采用方法為對比法．

2 探究平拋運動在水平方向的運動規(guī)律

研究問題：平拋運動在水平方向是勻速直線運動嗎？如何研究證實？

討論研究方向確定實驗方案：學生討論．(通過前面對比研究法的啟發(fā)，加之教師引導，學生有可能討論出：上述現(xiàn)象也可以通過對比實驗或定量測量實驗進行驗證)

2.1 對比實驗

即讓兩個小球同時以相同的速度開始運動，一個平拋，一個在水平面上勻速運動，看相同的時間內(nèi)，水平方向位移是否相等；相等則證實猜想．

實驗設計：學生提出、交流方案；集體討論、修改完善，確定最佳設計.

方案：對比實驗，將兩個斜槽水平對齊，上下放置，如圖2所示.用電磁鐵控制兩個小球同時開始運動，它們以相同大小的速度同時離開斜槽，上面的小球做平拋運動，下面的小球在水平軌道上做勻速直線運動，如圖3所示.若它們在水平軌道上相碰，則驗證猜想．

圖2 小球離開兩斜槽中 圖3 定量測量實驗

的平拋運動

選擇實驗器材并實驗:

兩個完全相同的斜槽，其中一個與規(guī)格相同的水平槽相接，兩個小球，兩個電磁鐵(含導線和電源).

2.2 定量測量實驗

師：讓兩個小球以相同的速度開始運動，如圖3所示.在操作上有一定的困難，有沒有其他辦法來研究呢？

討論分析：如果平拋運動水平方向是勻速的，那么它們水平位置應該是等距離間隔，所以可測出做平拋運動的物體在幾段相等時間內(nèi)的水平位移，依據(jù)水平位移是否相等來判斷猜想是否正確．假設能畫出平拋運動的軌跡，按照對水平方向規(guī)律的猜想，O，A，B，C點之間是等時間間隔，即運動的等時性．如圖4.

生成問題：實驗中物體平拋運動時間很短，如何測時間確定O，A，B，C點的位置呢？

生：前面我們已經(jīng)得出了平拋運動的豎直分運動為自由落體運動，根據(jù)等時性原理我們知道，水平分運動和豎直分運動是同時發(fā)生的，所以可以通過豎直方向來找相等的時間間隔．

師：具體步驟如何?

圖4 用于分析運動的圖表

師：那么怎么描繪出軌跡呢？

選擇實驗器材設計實驗方案:(投影出以下器材，用以下器材設計一個或多個實驗來得到平拋運動的軌跡，給出足夠的時間，分小組設計)斜面小槽，小鋼球，粘了方格紙的木板，鉛筆，數(shù)碼照相機，帶水平噴嘴的瓶子，玻璃板．

交流設計方案：設計同學介紹方案，其他同學進行質(zhì)疑或提出改進建議．

說明：在討論過程中，教師通過提問方式引導教學進程，學生則通過思考、發(fā)表見解來發(fā)揮其主體作用．

方案一：讓小球從斜槽上滑下，從末端水平拋出，用數(shù)碼相機拍攝頻閃照片．用頻閃照片記錄小球所經(jīng)過的多個位置，連起來就能得到小球做平拋運動的軌跡(圖5)．

圖5 用數(shù)碼相機拍攝頻閃照片

方案二：讓水平噴出的細水流來顯示平拋的運動軌跡，在水流后面豎直放置一塊玻璃板，用彩筆描出水流的軌跡(圖6)．

圖6 水平噴出的細水流顯示平拋運動

方案三：讓小球每次從斜槽上同一高度滑下，從末端水平拋出，用鉛筆描出小球經(jīng)過的位置，通過多次實驗，在豎直的背景方格紙上記錄了小球所經(jīng)過的多個位置，連起來就得到小球做平拋運動的軌跡．如圖7所示．

圖7 用鉛筆和方格紙記錄小球作平拋運動經(jīng)歷的位置

說明：學生進行實驗設計時給定儀器，目的是為了設計方向更加明確，降低難度；方案三可以很好地培養(yǎng)學生的實驗技能，所以可以由教師引導學生提出．學生可能還有其他方案，教師可以和學生一起進行分析評價．

2.3 分組實驗

每小組選擇方案(也可統(tǒng)一做方案三)，拿出事先準備好的儀器，學生進行實驗．

說明：學生常出現(xiàn)的問題是背景板放置不夠豎直；槽口末端沒調(diào)水平；沒有確定好拋出點；沒有及時確定y軸等．實驗操作前沒有提醒學生，目的是增強學生的體驗，培養(yǎng)學生的實驗操作能力．出現(xiàn)失誤的同學可以課后再做．

實驗后投影以下問題，學生討論回答：

(1)如何確保小球水平拋出？(小球在水平軌道的任一位置都能靜止)

(2)懸掛在槽口的重錘線起什么作用？ ( 調(diào)整木板豎直；確定y軸)

(3)在斜槽上無初速釋放小球的高度有什么要求？(適中；每次從同一位置釋放)

(4)如何確定坐標原點O點(拋出點)？ (小球在槽口時球心在木板上的水平投影點)

(5)如何描點？

數(shù)據(jù)處理：

(1)描軌跡確定A，B，C的位置，判斷水平方向是否是勻速運動？

師：獲得了平拋運動的軌跡圖像，現(xiàn)在我們從得到的幾條軌跡中選出一條來進行研究．

學生根據(jù)事先確定的方法進行處理．在豎直坐標軸y軸上，從原點開始向下任取一個坐標為h的點，則在時間t,2t,3t內(nèi)下落的高度分別為h,4h,9h，再找到坐標為h，4h，9h的點．在物體運動過程中，縱坐標從其中一個位置運動到下一個位置所用的時間都是相等的．過這些點作水平線與軌跡相交，交點就是每經(jīng)相等時間物體所到達的位置．

過A，B，C等點作豎直線與橫軸相交．可得到各點的水平位移x1，x2，x3等．測量x1，x2，x3等的大小．數(shù)碼相機拍照的則直接根據(jù)頻閃間隔相等確定時間．

(2)通過測量值來判斷這條曲線是否真的是拋物線？學生閱讀課本第13頁討論思考問題．

(3)為了求得拋體的初速度，還需測量什么量？進行怎樣的計算？

探究結(jié)論交流評價

小組匯報實驗情況，其他小組可進行補充．分析誤差原因．

3 小結(jié)提高

本節(jié)內(nèi)容重點應落實在“探究”上而不是“規(guī)律”上，課堂教學過程應以探究為主要線索；重視對學生方法的點撥．

本節(jié)課由于探究過程較多，與學生知識基礎和動手能力有較大關聯(lián)，課堂彈性較大，完成難度也比較大.教學過程中，教師要把握好節(jié)奏，創(chuàng)設情境、巧妙設問、恰當啟發(fā)、適時引導，留給學生充分發(fā)揮想象的空間，對學生提出的研究方案，教師應給予必要的肯定，并幫助學生完善方案．

4 作業(yè)設計

【例1】圖8為研究小球的平拋運動時拍攝的頻閃照片的一部分，其背景是邊長為5 cm的小方格，重力加速度g取10 m/s2.由圖可知，小球從A點運動到B點經(jīng)歷的時間______(填“小于”、“等于”或“大于”)從B點運動到C點經(jīng)歷的時間；照相機的閃光頻率為______Hz；小球拋出時的初速度大小為______m/s.

圖8 平拋運動頻閃照片(部分)

目的：改變數(shù)據(jù)條件(拋出點未知)來培養(yǎng)學生的數(shù)據(jù)處理方法，深化學生對描軌跡法研究平拋運動的方法的理解．

(a) (b)

(1)實驗前應對實驗裝置反復調(diào)節(jié)，直到________．每次讓小球從同一位置由靜止釋放，是為了____________．

(2)每次將B板向內(nèi)側(cè)平移距離d，是為了____________．

(3)在圖9(b)中繪出小球做平拋運動的軌跡．

目的：改變實驗方法，深化學生對平拋運動運動的理解．

【例3】在“探究平拋運動的規(guī)律”的實驗中，某同學在建立直角坐標系時，有一處失誤，假設他在安裝實驗裝置和進行其他操作時準確無誤．

(1)觀察圖10可知，他的失誤之處是________.

圖10 某學生設計實驗中建立的直角坐標系

(2)他根據(jù)記錄建立坐標系，運用教學實驗原理測得的平拋初速度值與其真實值相比________(選填“偏大”、“相等”或“偏小”)．

目的：加強學生對實驗操作步驟及注意事項的理解．

本節(jié)課直接由上一節(jié)理論分析入手，采用“問題驅(qū)動引導探究”模式教學，引導學生設計實驗，并利用現(xiàn)成的簡易實驗探究，從而使學生能仔細觀察、認真分析平拋運動，得出其運動的規(guī)律.

用該類模式教學，讓學生在獲取知識的同時，親身體驗科學探究過程，了解科學研究的方法，培養(yǎng)實驗探究能力和交流協(xié)作能力.