平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的改進(jìn)與創(chuàng)新

許芙蓉 黃樹清

摘 要：探究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律是平拋運(yùn)動(dòng)一節(jié)中的重難點(diǎn)，是一種典型的勻變速曲線運(yùn)動(dòng)，其于整個(gè)物理體系中所占據(jù)的地位不可忽視。然而教材以及在一般的課堂教學(xué)中，平拋實(shí)驗(yàn)演示儀仍存在著一些不足。現(xiàn)就此指出教材中演示實(shí)驗(yàn)裝置的缺陷，并簡(jiǎn)要介紹對(duì)其的改進(jìn)與創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：平拋運(yùn)動(dòng)；豎直方向；實(shí)驗(yàn)；改進(jìn)

“探究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律”是高中物理新課標(biāo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)中舉足輕重的探究實(shí)驗(yàn)之一，為了達(dá)到更好的教學(xué)效果，攻克教學(xué)中的重難點(diǎn)，筆者對(duì)探究平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向運(yùn)動(dòng)規(guī)律的平拋運(yùn)動(dòng)演示儀進(jìn)行了改進(jìn)與創(chuàng)新，其彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示儀不足的同時(shí)，還具有諸多優(yōu)點(diǎn)，值得推廣使用。

一、 傳統(tǒng)平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的缺陷

司南版以及人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書，即《物理（必修2）》第三章“拋體運(yùn)動(dòng)”中第三節(jié)“平拋運(yùn)動(dòng)”，均采用如圖一所示的平拋運(yùn)動(dòng)演示儀實(shí)驗(yàn)裝置。用小錘擊打彈性金屬片，使A球沿水平方向飛出，做平拋運(yùn)動(dòng)。改變實(shí)驗(yàn)裝置離地面的高度和力度，多次實(shí)驗(yàn)，觀察兩球是否同時(shí)落地，再用頻閃照相機(jī)記錄全程，分析頻閃照片中兩小球是否在同一時(shí)刻處于同一高度，從而驗(yàn)證其于豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)。

該裝置確能驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)，但是卻存在如下缺點(diǎn)：（一）實(shí)驗(yàn)裝置過于笨重，不方便攜帶；（二）成本過高。倘若要實(shí)現(xiàn)每個(gè)學(xué)生都能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的可能，確是需要購(gòu)進(jìn)不少數(shù)量的演示儀，再加上價(jià)格不菲的頻閃照相機(jī)，部分偏遠(yuǎn)落后并不發(fā)達(dá)的學(xué)校并不一定都能負(fù)擔(dān)得起；（三）操作繁瑣。頻閃照相機(jī)的使用并不是容易上手，一般僅限于教師的操作演示，并且拍攝過后還需與電腦連接，前后費(fèi)時(shí)費(fèi)力；（四）安全系數(shù)低。重錘的敲擊、鐵球的下落，在一個(gè)并不空闊且人多的教室里，均存在著潛在的安全隱患。

二、 對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的改進(jìn)

針對(duì)以上傳統(tǒng)平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的缺陷，筆者從生活中取材、操作便捷、效果良好，其原理圖如圖二所示。該演示儀由直尺、象棋、大理石組成。將一直尺放于桌面上的同時(shí)，一半伸出桌面，再將食指緊摁直尺中端，即桌子邊緣處，若用大理石水平快速敲擊露出桌面一端的尺子，則直尺將會(huì)繞手指頭所固定的點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，基于這樣一個(gè)旋轉(zhuǎn)直尺，在桌面上尺子的一側(cè)緊挨地放置一顆象棋，在伸出桌面的尺子另一端上放置另一等大同質(zhì)的象棋。此時(shí)，在大理石的水平快速敲擊作用下，緊挨直尺的象棋會(huì)受到來自直尺的作用力，從而以一定初速度水平拋出，由于象棋所受重力遠(yuǎn)大于空氣阻力，其做平拋運(yùn)動(dòng)；而另一位于直尺上的象棋，則因突然沒有支撐物而做自由落體運(yùn)動(dòng)。

如此這般，本實(shí)驗(yàn)裝置巧妙地利用旋轉(zhuǎn)直尺將平拋運(yùn)動(dòng)和自由落體運(yùn)動(dòng)結(jié)合在了一起。實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)有：（一）選用盡量較長(zhǎng)的直尺，因要緊挨、承托兩個(gè)象棋寬度的同時(shí)還須留有空間用大理石敲擊；（二）盡量選擇較重的象棋，方能忽略空氣阻力，視為平拋運(yùn)動(dòng)和自由落體運(yùn)動(dòng)；（三）大理石敲擊應(yīng)迅速、水平。唯有迅速，處于尺子上方的象棋由于突然沒有支撐物的作用，從而其初速度方能視為零，也唯有水平敲擊，另一緊挨直尺的象棋才能擁有水平方向的初速度而做平拋運(yùn)動(dòng)；（四）在使用大理石敲擊直尺時(shí)，也應(yīng)注意安全，切莫砸傷同學(xué)和實(shí)驗(yàn)操作者。

敲擊后的兩枚象棋，由于高度相同并同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，因而若是同時(shí)落地則證實(shí)了平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上即為自由落體運(yùn)動(dòng)?？煞謩e從視覺和聽覺上判斷。為了更好地觀察和分析兩個(gè)物體的下落全程，筆者選用了帶有慢鏡頭回放功能的智能手機(jī)，可事先將錄制好的視頻拷至電腦，亦或現(xiàn)場(chǎng)錄制、上傳，投影于大屏幕。先用肉眼觀察慢鏡頭下的兩枚象棋，是否在任意時(shí)刻均處于同一高度；再進(jìn)行視頻截圖劃線、定量分析，進(jìn)一步科學(xué)地論證猜想，如圖三所示，以背景墻上的橫線作為參照，易得：做平拋運(yùn)動(dòng)的象棋與做自由落體運(yùn)動(dòng)的象棋在任意時(shí)刻均處于同一高度，從而驗(yàn)證了平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上即為自由落體運(yùn)動(dòng)的猜想。

圖三 慢鏡頭回放的部分截圖

三、 改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

在對(duì)傳統(tǒng)平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的改進(jìn)和創(chuàng)新后，其存在著以下優(yōu)點(diǎn)：

（一） 取材便捷，利于攜帶。實(shí)驗(yàn)僅需直尺、象棋和大理石這些在我們生活中極為常見普遍的物體，攜帶方便輕松，學(xué)生還可自行將實(shí)驗(yàn)裝置帶至課堂。

（二） 成本低廉，性價(jià)比高。直尺和象棋是學(xué)生都會(huì)擁有的學(xué)習(xí)用品和棋類之一，大大降低了昂貴的成套實(shí)驗(yàn)裝置成本，這對(duì)一些經(jīng)費(fèi)緊張，無法支持和供給教學(xué)的學(xué)校和地區(qū)著實(shí)提供一個(gè)很好的參考。

（三） 操作簡(jiǎn)易，推廣性強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)裝置組成成分簡(jiǎn)易、操作簡(jiǎn)單不繁瑣、容易上手、較好理解，學(xué)生課后也可以自己動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，不再對(duì)冰冷的實(shí)驗(yàn)儀器甚至科學(xué)產(chǎn)生距離感，同時(shí)解決了只能在課堂上操作實(shí)驗(yàn)的空間局限性，讓其充分體會(huì)到“物理源于生活，又高于生活”的真理以及物理的魅力。

（四） 生動(dòng)有趣，啟發(fā)思維。實(shí)驗(yàn)新穎并富有創(chuàng)造性，讓學(xué)生明白物理也可以如此有趣、如此“玩?！?，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，讓學(xué)生做生活的有心人，多留意生活中的物理現(xiàn)象，并且啟發(fā)學(xué)生思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

（五） 科技前衛(wèi)，嚴(yán)謹(jǐn)高效。用具有慢鏡頭回放功能的智能手機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的頻閃照相機(jī)，提高實(shí)驗(yàn)效率增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果的同時(shí)，令實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加科學(xué)精確，還讓學(xué)生們知道身邊中的高科技產(chǎn)品不僅僅用來娛樂，更可以用來學(xué)習(xí)，成為實(shí)驗(yàn)儀器，從而服務(wù)于科學(xué)。更能正確引導(dǎo)學(xué)生、家長(zhǎng)如何將利弊相隨的高科技產(chǎn)品揚(yáng)長(zhǎng)避短，啟發(fā)家長(zhǎng)教師們辯證地看待現(xiàn)如今信息時(shí)代下的智能產(chǎn)品，使其成為輔助學(xué)習(xí)的有效幫手，還能體現(xiàn)物理與科技的緊密關(guān)聯(lián)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

四、 結(jié)束語

改進(jìn)創(chuàng)新后的平拋運(yùn)動(dòng)演示儀較好地解決了傳統(tǒng)演示儀的缺陷，其擁有著實(shí)驗(yàn)效果顯著、成本低廉、攜帶便捷、嚴(yán)謹(jǐn)高效等諸多優(yōu)勢(shì)，可提高教學(xué)效果、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，讓更多學(xué)生參與其中，從而達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。筆者期謹(jǐn)以此文可以給予更多一線教師工作者和理論研究者以啟發(fā)和參考。

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[3]李燕秋，代偉，羅微，等.平拋運(yùn)動(dòng)演示儀的改進(jìn)[J].大學(xué)物理，2015，34（9）：27-30.

作者簡(jiǎn)介：

許芙蓉，黃樹清，福建省福州市，福建師范大學(xué)。