基于教材實驗方案的改進與創新
——平拋運動的實驗研究

孫 策

(浙江省慈溪市慈中書院,浙江 寧波 315300)

·物理實驗·

基于教材實驗方案的改進與創新
——平拋運動的實驗研究

孫 策

(浙江省慈溪市慈中書院,浙江 寧波 315300)

教材中的實驗“研究平拋運動”參考案例2,采用了水平射出的細水柱來顯示平拋運動軌跡,既直觀簡單,又貼近學生生活.但是,把這一案例作為學生分組實驗,在實際教學中很少見到.究其原因,這一看起來非常簡單的實驗,真正實踐起來卻會遇到了各種各樣意想不到的問題.

平拋運動軌跡； 細水柱； 實驗改進

1 問題的提出

人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理·必修2》第5章第3節“實驗:研究平拋運動”是高中階段重要的一個分組實驗.它既是對平拋運動理論的鞏固和驗證,也是一次培養學生實驗設計和實驗操作能力的機會.該實驗有3個實驗目的:一是通過實驗手段描繪出平拋運動的軌跡,二是根據所繪軌跡探究平拋運動的規律,三是通過平拋運動軌跡求出物體的初速度.可以看出,3個目的都離不開平拋運動軌跡.因此,正確描繪出平拋運動軌跡是本實驗的前提,教材中提供了3個參考案例.[1]在實際的教學中以參考案例1(利用鋼球做平拋運動描繪軌跡)為最多,基本上每個學校都配備了相關的實驗儀器.但該實驗最大的問題是不能直接顯示出小鋼球做平拋運動的軌跡,需要多次描點才能在白紙上間接描繪出小球的平拋運動軌跡.實驗時,控制條件較多,記錄小球的具體位置時經常會出現較大的誤差,實驗者需要較高的實驗操作技能,才能描繪出較理想的軌跡.參考案例3用數碼照相機或數碼攝像機記錄平拋運動軌跡,雖然精確度較高,但缺點也非常明顯:一是很多實驗室沒配置數碼相機;二是實驗者需要掌握攝影攝像技術,顯然學生不可能都精通;三是自動化的設備不利于學生對實驗原理理解和實驗操作能力的培養.

李政道也曾經說過:“自己動手做的儀器,永遠比買的好”.因此,高中物理實驗教學中,實驗裝置要選擇盡量簡單,實驗原理要簡單明了,實驗現象要顯著直觀.這樣,通過物理實驗,就能很好地幫助學生理解和掌握物理概念、規律,完成從理論到實踐的升華.基于以上原因,筆者選擇了實驗現象更加顯著直觀的水柱的平拋代替傳統的小球平拋,并對實驗實施過程中遇到的各種問題進行了分析、改進和創新.

2 實驗方案改進

2.1 細水柱發生裝置

圖1

(1) 實驗裝置的部件設計與改進.

如圖1所示,A管口與大氣相通,壓強始終等于大氣壓強.液面下降到A管口前,由于A、B管口高度差不變,可知噴嘴處流出的細水柱是持續穩定的(圖1).

圖2 止水裝置

改進1:為了防止裝有適量水的玻璃瓶倒置時,水從直玻璃管下端流出來,可在直玻璃管的末端加接了一段橡膠管并用止水夾夾住(圖2).

該裝置設計的難點在于噴嘴的選材和連接,教材中只是籠統地提到“玻璃管的水平端加接一段更細的硬管作為噴嘴”.

圖3

改進2:用塑座不銹鋼點膠針頭作為噴嘴,前端為長13 mm的圓柱形不銹鋼鈍口針頭,后端為塑座螺口(圖3).點膠針頭不但內徑小而且規格眾多(0.06 mm～1.55mm),通過選擇內徑合適的點膠針頭就能獲取較細的細水柱,提高實驗的精確度.用500 mL廣口瓶裝水,經實驗發現,當點膠針頭的內徑小于0.51 mm時,不再噴出細水柱,而是間斷地從點膠針頭滴出水珠.當點膠針頭的內徑在0.51 mm～0.84 mm之間時,雖然能噴出細水柱,但細水柱很快就發散了.經實驗反復比較,最終確定內徑為1.55 mm的點膠針頭作為噴嘴,噴出的細水柱能形成一段相對較長又整潔的拋物線.

塑座螺口的內徑(5 mm左右)和玻璃管的外徑(6 mm左右)很難匹配,再考慮到接口處的密封性,因此塑座螺口不可能直接套在玻璃管上.

改進3: 截取5 mL巴氏滴管的一小段漏斗形塑料管,如圖4方框內所示的那一段,把內徑小的一端插入塑座螺口,內徑大的一端套在水平端玻璃管上(圖5).

圖4

圖5

圖6

用電鉆在橡膠塞上開兩個直徑略小于玻璃管外徑的小孔,將改進后的玻璃管插入小孔中,再用橡膠塞塞住瓶口,這樣就完成了細水柱發生裝置的裝配.該裝置主要有500 mL廣口瓶、橡膠塞、兩端開口的直玻璃管和L形直角玻璃管、橡膠管、止水夾以及點膠針頭等部件組成(圖6).

(2) 實驗裝置的驗證與完善.

用該裝置做實驗時,發現了意料之外的現象,噴出的細水柱在空中不斷抖動,非常不穩定.經分析認為,可能是直玻璃管4 mm的內徑有點偏大了,導致冒出來的氣泡大而且不連續,從而使噴嘴處的壓強變得不穩定,噴出的細水柱發生了明顯抖動.由此,可以嘗試減小進氣口的內徑,來消除這種細水柱不穩定的現象.

圖7

改進4: 在直玻璃管管口加接一段內徑為0.5 mm的點膠針頭作為進氣口,連接方式同上(圖7).

采用改進前后兩種不同進氣口(玻璃管進氣口與點膠針頭進氣口)進行實驗比較,圖8中能明顯觀察到點膠針頭中出來的氣泡更小更連續.再次實驗發現,裝置中噴出的細水柱非常穩定,如圖9所示.

圖8 圖9

2.2 描點坐標裝置

(1) 底座.

本實驗底座選用了J2154型平拋運動實驗器的底座,保留了原底座上的兩根豎直金屬桿,該底座四角有調平螺栓,可調豎直和水平,用海綿膠將規格為30×40 cm的白板粘在兩豎直金屬桿上(圖10a為背面,b為正面).

圖10

圖11

(2) 坐標紙.

由于本實驗是用細水柱做平拋運動顯示軌跡,普通的坐標紙容易濺到水后而損壞.因此,可采用工程制圖中常用的最小刻度為1 mm的半透明狀的硫酸坐標紙(圖11).它對水的滲透具有較強的抵抗力.硫酸坐標紙的規格有很多,可以根據實驗的需求自行裁剪.

3 實驗操作過程

(1) 在玻璃瓶內裝入適量清水,用插有兩根玻璃管的橡膠塞塞住瓶口.然后讓兩玻璃管穿過鐵圈的狹縫,將玻璃瓶倒置于鐵架臺上(圖12).

圖12 操作步驟

(2) 用夾子將坐標紙固定在白板上,讓重錘線通過坐標紙上的坐標原點O,然后用夾子將重錘線固定在坐標紙上(圖13).

圖13 操作步驟

(3) 調整調平螺栓,使重錘線與坐標紙的左側豎直線重合.確定左側豎直線為y軸,過坐標原點O且與y軸垂直的水平線為x軸(圖14).

圖14 操作步驟

圖15 操作步驟

(4) 保持底座不動,移動鐵架臺,將出水口在坐標紙上的水平投影點置于坐標紙的原點O,并利用三角板使噴嘴口的切線方向與重錘線成直角.注意噴嘴不要貼在坐標紙上,留出約0.5 cm的距離,盡量不讓水濺在坐標紙上(圖15).

(5) 打開止水夾,使水從噴嘴流出,待細水柱穩定后用鉛筆沿著細水柱在坐標紙上描下若干點(圖16).

圖16 操作步驟

注意:描點時視線要對準細水柱且與白板垂直,在細水柱的正背面描點;描點時鉛筆不能擋住細水柱;由于空氣阻力等因素,細水柱末端發散了,因此取離噴嘴口較近的一段曲線研究(圖17).

圖17 操作步驟

(6) 取下坐標紙,剔除偏離拋物線較遠的點,用光滑曲線擬合其余的點(圖18).

圖18 操作步驟

4 結束語

本實驗實施過程中,在細節上做了詳細的改進和完善,使教材中參考案例2作為學生實驗結果更為精確.該實驗的優點是夠提供直觀形象的平拋運動的軌跡,并能方便地把軌跡描繪在坐標紙上.其次在設計實驗時充分利用了生活中常見的資源,使實驗情景更貼近學生生活,引導學生從生活走向物理,從物理走向生活.該實驗還留下了很大的思考空間,比如可以讓學生探討,直玻璃管的進氣口在液面以上能不能得到穩定的細水柱;直玻璃管進氣口在液面以下為什么會噴出穩定的細水柱;理論上預言裝置工作時能噴出穩定的細水柱,但在實驗時觀察到的卻是不斷抖動的細水柱,是壓強理論出現了問題還是實驗器材有缺陷等等.教師可以很自然地利用本實驗創設真實的探究情境,引導學生有效開展真實的物理實驗探究.通過創造性地設計或者改進已有實驗,不但使物理課堂“魔力十足”,更有利于激發學生的創新意識.其次通過教師的身體力行,在潛移默化中增強了學生的動手能力和實踐意識.因此,基于教材實驗方案的改進與創新,是培養學生物理學科核心素養的一個有效途徑.

1 人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發中心.普通高中課程標準實驗教科書·物理·必修2(第3版)[M].北京:人民教育出版社,2010:13-15.

2017-05-12)