基于DIS實(shí)驗(yàn)的“研究平拋運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)

李富恩 王曉梅 何彥雨

摘? ?要：平拋運(yùn)動(dòng)是高中物理曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)一章教學(xué)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文將在課本的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，并引入DIS這一現(xiàn)代信息技術(shù)手段應(yīng)用于此實(shí)驗(yàn)的教學(xué)當(dāng)中，探索高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新思路。

關(guān)鍵詞：平拋運(yùn)動(dòng);描點(diǎn)法;DIS實(shí)驗(yàn);探究

引言

研究平拋運(yùn)動(dòng)是人教版高中《物理·必修2》第五章第二、三節(jié)內(nèi)容。拋體運(yùn)動(dòng)是自然界常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)形式，平拋運(yùn)動(dòng)是拋體運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特例。課本從實(shí)驗(yàn)的角度來(lái)探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，提供了三個(gè)參考方案：

方案1：利用描繪小球平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡的斜槽和木板等實(shí)驗(yàn)裝置，讓小球每次從斜槽上同一位置滾下，用鉛筆的筆尖試探描出小球經(jīng)過(guò)的位置，將這些描出的點(diǎn)用平滑曲線(xiàn)連接起來(lái)，即得到小球運(yùn)動(dòng)的軌跡。但是用這種方法尋找小球位置相對(duì)麻煩，有時(shí)一個(gè)點(diǎn)需要實(shí)驗(yàn)好多次，并且找到的軌跡點(diǎn)誤差還會(huì)比較大，甚至有時(shí)還會(huì)把筆尖砸斷。

案例2：水平噴出的細(xì)水柱觀(guān)察要及時(shí)，不容易記錄，還有學(xué)生不同角度觀(guān)察影響效果。水剛噴出離開(kāi)細(xì)管時(shí)，形成的水柱是連續(xù)的，而且還比較粗，之后逐漸變細(xì)，到最后還可能變成水滴，另外由于空氣阻力的作用，水柱的軌跡會(huì)逐漸偏離平拋曲線(xiàn)，在取點(diǎn)時(shí)一定要取離出口近的點(diǎn)。

案例3：利用數(shù)碼照相機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī)記錄小球的位置。

針對(duì)這些案例，在我校實(shí)驗(yàn)配置的基礎(chǔ)上，借助朗威DIS設(shè)備和系統(tǒng)，我們對(duì)課本的實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，最終成功利用實(shí)驗(yàn)直接在白紙上打出了小球的軌跡點(diǎn)，描出了平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，并且定量驗(yàn)證了平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

1? 實(shí)驗(yàn)原理

（1）描繪小球平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡;

如圖1，我校現(xiàn)有的儀器是按照這個(gè)原理配備的，利用實(shí)驗(yàn)室的斜面小槽等器材讓小球從斜面上同一點(diǎn)滾下做平拋運(yùn)動(dòng)。如果小球每次都能碰到筆尖，就說(shuō)明位置找對(duì)了，用鉛筆描出小球的位置，用平滑的曲線(xiàn)連起來(lái)就得到平拋運(yùn)動(dòng)軌跡。該實(shí)驗(yàn)的不足之處在于實(shí)際操作過(guò)程發(fā)現(xiàn)用筆尖找位置方法簡(jiǎn)單，但不足之處有：筆尖易斷;小球容易落空。該案例實(shí)際操作中不能簡(jiǎn)便[ 1 ]。

通過(guò)認(rèn)真思考，并與其他的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)如果能使小球自己撞到帶有復(fù)寫(xiě)紙的白紙上，以上問(wèn)題就迎刃而解。沿著這個(gè)思路我們一直思索，反復(fù)嘗試。最后改進(jìn)成了此“平拋運(yùn)動(dòng)改進(jìn)演示儀器” ，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在白紙上打出的點(diǎn)特別清晰，如果每次移動(dòng)的距離足夠短，打出的點(diǎn)足夠多，就能夠很清楚的看到白紙上的拋物線(xiàn)，非常直觀(guān)[ 2 ]。

2? 本節(jié)課用到的實(shí)驗(yàn)器材

傳統(tǒng)平拋運(yùn)動(dòng)演示儀、小鋼球、鐵架臺(tái)、帶夾子的木板、復(fù)寫(xiě)紙、A4紙、DIS平拋運(yùn)動(dòng)演示儀及其配套設(shè)備、光電門(mén)、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等。

3? 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及過(guò)程

（1）引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

在課前導(dǎo)學(xué)案中給出這道實(shí)驗(yàn)題目：某探究實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計(jì)了研究平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2（a）所示，A是一塊水平放置的平面木板，在A(yíng)板上等間隔地開(kāi)鑿出一系列的平行的凹槽（圖2中P0P0′、P1P1′…），槽間距離均為d。B板也為一塊平面木板，在B板上面依次鋪上白紙和復(fù)寫(xiě)紙，實(shí)驗(yàn)時(shí)依次將B板插入A板的靠近斜槽的第一插槽中，讓小球從斜軌的某一位置由靜止釋放當(dāng)小球落到復(fù)寫(xiě)紙上，就在其后的白紙上留下一個(gè)痕跡點(diǎn)。打完一點(diǎn)后，把B板向后插入下一槽中并同時(shí)向紙面內(nèi)側(cè)平移距離d。重復(fù)以上操作，就在白紙上打下了若干痕跡點(diǎn)，如圖2（b）所示。

讓同學(xué)們根據(jù)這個(gè)題目展開(kāi)想象，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠直接在白紙上打點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

①模仿例題劃線(xiàn)控制白板移動(dòng)位置，我給出了坐標(biāo)紙。

②有同學(xué)發(fā)現(xiàn)按照例題中移動(dòng)白板，相當(dāng)于沿著坐標(biāo)紙的方格對(duì)角線(xiàn)移動(dòng)，于是畫(huà)出了一條對(duì)角線(xiàn)。

③既然想到了讓白板沿著對(duì)角線(xiàn)移動(dòng)，那我們可以附上一木條，在白板上固定一個(gè)標(biāo)志（夾子），讓標(biāo)志物沿著木條移動(dòng)即可（如圖3）。

（2）利用學(xué)生參與設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖4。

實(shí)驗(yàn)步驟：

①調(diào)整儀器，讓斜槽末端水平，保證小球離開(kāi)斜槽做平拋運(yùn)動(dòng);

②讓白板貼著斜槽末端，利用邊緣的重錘保證白板處于豎直狀態(tài)，讓小球從一定高度滾下，小球直接打到帶著復(fù)寫(xiě)紙的白紙上，記錄下了小球的平拋起點(diǎn);

③讓白板上的夾子貼著木條，往后移動(dòng)一小段距離，讓小球從相同高度滾下，再次打下一個(gè)點(diǎn);

④重復(fù)上述操作，移動(dòng)的距離足夠小時(shí)，就能在白紙上打下密集的無(wú)數(shù)點(diǎn)痕。

完成了實(shí)驗(yàn)的第一步：觀(guān)察小球的落痕，清晰的看出小球的運(yùn)動(dòng)軌跡非常接近拋物線(xiàn)，完美完成實(shí)驗(yàn)的第一步。

（3）如圖5，利用打出的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，量出任意一點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)x、y，根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律計(jì)算出平拋運(yùn)動(dòng)的初速度v0。

（4）利用朗威 DISLab魔板（電磁定位系統(tǒng)）能夠自動(dòng)記錄質(zhì)點(diǎn)的位置，大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，清晰直觀(guān)的呈現(xiàn)出質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡，達(dá)到本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)?zāi)康腫 3 ]。朗威 DISLab魔板（電磁定位系統(tǒng)）由電磁定位板①（參見(jiàn)圖6中標(biāo)號(hào)）彈射器②信號(hào)源③接球底槽④接球豎槽⑤支架⑥及緊固件構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)中搭建好實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)節(jié)彈射器水平，使其卡槽與電磁定位板的上邊沿平行。連接至計(jì)算機(jī)，打開(kāi)魔板專(zhuān)用軟件包，選擇“平拋運(yùn)動(dòng)”。打開(kāi)信號(hào)源電源開(kāi)關(guān)，將信號(hào)源置于彈射器卡槽內(nèi)，點(diǎn)擊軟件“零點(diǎn)設(shè)置”。將信號(hào)源壓入彈射器內(nèi)，點(diǎn)擊軟件“開(kāi)始記錄”，按下彈射器開(kāi)關(guān)，軟件自動(dòng)記錄信號(hào)源的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡（如圖7）。

點(diǎn)擊系統(tǒng)軟件中的“X”“Y”，自動(dòng)繪制數(shù)據(jù)點(diǎn)在X軸和Y軸的投影;點(diǎn)擊軟件“二次擬合”，即可得到平拋運(yùn)動(dòng)軌跡符合二次函數(shù)關(guān)系。再次點(diǎn)擊軟件“加速度”，軟件自動(dòng)繪制信號(hào)源水平方向和豎直方向分運(yùn)動(dòng)的v-t圖，并計(jì)算出加速度。得出水平方向?yàn)閯蛩僦本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)（如圖8）。

4? 總結(jié)與反思

實(shí)驗(yàn)中教材的要求是把斜槽末端標(biāo)記到坐標(biāo)紙上，作為平拋運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)讓同學(xué)們直接感受到了平拋運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和斜槽末端的關(guān)系（見(jiàn)圖9），并且能順利的分析出實(shí)驗(yàn)的計(jì)算誤差來(lái)源，達(dá)到了又一個(gè)教學(xué)亮點(diǎn)。

使用數(shù)字化傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取一手實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，改善數(shù)據(jù)采集精度，提升實(shí)驗(yàn)效率。讓同學(xué)們深刻體會(huì)到教育技術(shù)的先進(jìn)性以及科學(xué)的魅力。首先，實(shí)驗(yàn)中用到的是電磁定位系統(tǒng)，能夠自動(dòng)記錄并采集質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過(guò)的每一個(gè)位置——即平拋運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度和平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，另外系統(tǒng)還能方便計(jì)算出平拋的水平距離，大大增大了實(shí)驗(yàn)效率。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)中小球的落點(diǎn)，能夠在底板上讀出水平位移，跟系統(tǒng)計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，突出實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。這種對(duì)比方法也是物理學(xué)的一種重要研究方法。

參考文獻(xiàn)：

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