“研究平拋運動”實驗教學改進

(1. 河北省滄州市教育局，河北 滄州 061001；2. 河北省華北油田第三中學，河北 任丘 062552；3. 北京林業(yè)大學工學院，北京 100083)

1 引言

平拋運動是人教版高中物理必修2第五章第二、三節(jié)內容,拋體運動是自然界中常見的運動形式，平拋運動是拋體運動的一個特例。課本針對探究平拋運動規(guī)律的實驗，提供了3個參考方案。

(1) 利用描繪小球平拋運動的軌跡實驗裝置，用鉛筆試探描出小球經(jīng)過的位置，用平滑曲線畫出小球運動的軌跡。但是用這種方法描繪小球位置時誤差較大，需要多次嘗試才能較準確地確定。

(2) 利用水平噴出的水柱,對于細水柱的觀察要及時，不容易記錄，還有學生從不同角度觀察，會影響效果。水剛噴出時，水柱連續(xù)而且比較細，最后逐漸變粗又逐漸變成水珠，另外由于空氣阻力的作用，水柱的軌跡會逐漸偏離平拋曲線，在取點時一定要取離出口近的點。

(3) 利用數(shù)碼照相機或數(shù)碼攝像機記錄小球的位置。

針對這些方案，結合我校的實驗配置，筆者對原有實驗器材進行改進，描繪出了平拋運動的軌跡，并且定量驗證了平拋運動的規(guī)律。筆者還利用基于DIS(數(shù)字化實驗系統(tǒng))的朗威DISLab魔板，引導學生進一步探究平拋運動的規(guī)律，展示了現(xiàn)代信息技術的魅力，深化了學生對物理規(guī)律的理解。

2 實驗改進

(1) 用描跡法畫出小球平拋運動的軌跡(如圖1)；

圖1

我校現(xiàn)有的儀器是按照這個方案配備的，利用實驗室的斜面小槽等器材讓小球從斜面上同一點滾下做平拋運動。如果小球每次都能碰到筆尖，就說明找對位置了，用鉛筆描出小球的位置，用平滑的曲線連起來就得到平拋運動軌跡。該實驗的優(yōu)點是在實際操作過程發(fā)現(xiàn)用筆尖找位置方法簡單，但不足之處有：筆尖易斷,小球容易落空,實際操作不簡便。

通過認真思考，并與其他實驗方案進行對比發(fā)現(xiàn)：使小球撞到帶有復寫紙的白紙上，以上問題就迎刃而解。沿著這個思路筆者一直思索、反復嘗試，最后改進成了“平拋運動演示儀器”，其結構簡單、操作方便，經(jīng)濟實用，在白紙上打出的點特別清晰，如果每次移動的距離足夠短，打出的點足夠多，就能夠很清楚地看到白紙上的拋物線，非常直觀，在此基礎上引入與上述實驗改進有異曲同工之效的DIS實驗。

3 實驗教學過程

實驗器材有：平拋運動演示儀、小鋼球、鐵架臺、帶夾子的木板、復寫紙、A4紙、DIS及其配套的朗威DISLab魔板等。

(1) 引導學生設計實驗

圖2

圖3

讓同學們根據(jù)這個題目，設計一個能夠直接在白紙上打點的實驗，設計過程如下：

① 仿照例題劃線控制白板移動位置，有同學提出可利用坐標紙進行實驗。

② 有同學發(fā)現(xiàn)按照例題中移動白板，相當于沿著坐標紙的方格對角線移動，于是在坐標紙上畫出了一條對角線(如圖4)。

圖4

③ 既然想到了讓白板沿著對角線移動，那我們可以附上一木條，在白板上固定一個夾子，讓標志物沿著木條移動即可(如圖5)。

圖5

(2) 引導學生進行實驗

利用學生設計的思路進行實驗，步驟如下：

① 調整儀器，讓斜槽末端水平，保證小球離開斜槽后做平拋運動；

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寫紙的白紙上，記錄下小球的平拋起點；白板上的夾子貼著木條，往后移動一小段距離，讓小球從相同高度滾下，再次打下一個點；

③ 重復上述操作，當移動的距離足夠小時，就能在白紙上打下密集的點痕。觀察小球的落痕，可看出小球的運動軌跡非常接近拋物線。

④ 利用打出的點跡，建立坐標系，量出各點的橫、縱坐標x、y，根據(jù)平拋運動的規(guī)律，計算出平拋運動的初速度v0。

(3) 基于DIS的“研究平拋運動”實驗

利用朗威DISLab魔板(電磁定位系統(tǒng))，可自動記錄質點的位置，大大簡化了實驗過程，清晰直觀地呈現(xiàn)出質點運動的軌跡，達到本節(jié)課的實驗目的。如圖6所示，朗威 DISLab魔板(電磁定位系統(tǒng))的部件為：① 電磁定位板、② 彈射器、③ 信號源、④ 接球底槽、⑤ 接球豎槽、⑥ 支架及緊固件構成。在實驗中搭建好實驗裝置，調節(jié)彈射器水平，使其卡槽與電磁定位板的上邊沿平行。打開魔板專用軟件包，選擇“平拋運動”。打開信號源電源開關，將信號源置于彈射器卡槽內，先點擊 “零點設置”，再點擊“開始記錄”，按下彈射器開關，軟件自動記錄信號源的平拋運動軌跡(如圖7)。

圖6

圖7

點擊系統(tǒng)軟件中的“X”“Y”，自動標注數(shù)據(jù)點在X軸和Y軸的投影；點擊 “二次擬合”，學生即會發(fā)現(xiàn)平拋運動軌跡符合二次函數(shù)關系。點擊 “加速度”，軟件自動繪制信號源在水平方向和豎直方向上分運動的v-t圖，得出水平方向的運動為勻速直線運動，并計算出豎直方向上的加速度(如圖8)。

圖8

利用DIS進行實驗，自動采集實驗數(shù)據(jù)，可提高數(shù)據(jù)采集精度。讓學生深刻體會到信息技術的先進性以及科學的魅力。實驗中用到的電磁定位系統(tǒng)，能夠自動記錄并采集質點經(jīng)過的每一個位置的瞬時速度和時間，還能方便計算出平拋的水平距離，大大提高了實驗效率。