讓物理實驗充滿研究的樂趣
——以“實驗：研究平拋運動”的教學為例

孫 策

(慈溪市慈中書院 浙江 寧波 315300)

“實驗:研究平拋運動”這節課旨在借助實驗從定量角度對平拋運動做進一步研究，幫助學生建立起理論推導與物理現實之間的聯系.因此，教材為學生提供了3種定量研究平拋運動的參考案例[1]，絕大多數教師只重點講了參考案例一，還有些教師會對后面兩個參考案例做一些簡略的介紹.雖然知道參考案例一后，學生完成一些題目基本不成問題了，但是卻不利于學生的動手操作能力、實驗設計能力以及創新能力等方面的提高.物理實驗及其教學是中學物理教學的重要組成部分，物理教學的本源就是實驗教學.高中物理課程標準也對實驗教學提出了相關要求[2].(1)傳統常規實驗：教師應積極開發適合教學的實驗資源，并充分利用這些實驗資源開展實驗；(2)低成本實驗：提倡使用身邊隨手可得的普通物品或工具來設計物理實驗；(3)設計探究性實驗：鼓勵教師設計感知體驗的實驗，幫助學生形成概念或規律.因此，一旦有機會可以有多種方案來研究同一個物理規律時，我們絕對不能輕易放過，至少應該再去深入研究一種方案，以開闊學生的眼界，發展學生的思維.其實參考案例二水柱法研究平拋運動是一個絕佳的案例，只要教師自己能親自動手搜集相關實驗器材，認真設計探究性實驗，從該參考案例的引入、改進、完善,最后動手操作，一步步帶領學生不斷發現實驗設計中的問題，不斷提出改進方案，和學生一起體驗實驗探究中的酸甜苦辣,這樣的一堂課下來，相信學生定會對物理實驗產生濃厚的興趣和滿滿的愛意.基于以上原因，筆者以教材中的參考案例二為基礎，設計了“水柱法研究平拋運動”的教學案例.

1 教材分析

本節課是在前一節“平拋運動”的基礎上，借助實驗對平拋運動規律的進一步探究.教材首先提出了如何判斷平拋物體的運動軌跡是否為拋物線，如何計算平拋物體的初速度，并給出了3種得到平拋運動軌跡的實驗方案.本教學設計以教材中的參考案例二為基礎，用水柱法來研究平拋運動.

2 教學目標

2.1 知識與技能

(1)會用水柱法實驗獲得平拋運動的軌跡；

(2)會判斷運動軌跡是否為拋物線；

(3)會推導平拋初速度的表達式，會計算平拋運動的初速度.

2.2 過程與方法

(1)通過學生自主設計實驗，體會物理問題的探究思想和實驗設計思想，了解設計實驗的基本方法；

(2)通過動手實驗探究過程，體驗科學研究的一般方法.

2.3 情感態度與價值觀

(1)使學生認識到生活中處處有物理現象，物理與生活息息相關,增加學生對物理學科的親切感,激發他們學習物理的興趣；

(2)通過提供實驗器材，讓學生設計實驗，動手做實驗，親身感受物理實驗的樂趣.

3 教學過程

3.1 確定描繪平拋運動軌跡的方法

師:上節課我們學習了平拋運動，那么平拋運動有什么特點？

生甲：水平方向上做勻速直線運動，豎直方向上做自由落體運動.

生乙：運動軌跡是一條拋物線.

師：在忽略空氣阻力的情況下，生活中有哪些常見的平拋運動呢？請同學們舉例說明.

學生舉例：擲飛鏢比賽、憤怒的小鳥真人版.

師：這節課我們就要利用學過的平拋運動的理論知識，通過具體的實驗定量研究平拋運動的特點.但是平拋運動在空中轉瞬即逝，優美的曲線隨即成為歷史，沒有留下什么具體的可供操作的東西，若要詳盡研究平拋運動的特點，必須先得到其運動軌跡. 我們如何得到平拋物體的運動軌跡？

生：記錄下做平拋運動的物體經過的位置，然后把這些位置用光滑的曲線連起來，就得到平拋運動的軌跡了.

師：由于飛鏢或者小鳥的運動軌跡轉瞬即逝，要記錄不同時刻物體的位置存在較大的困難.那還有什么生活中的例子，它能更加直觀地顯示平拋運動的軌跡，使描跡變得容易.

生：用液體代替固體做平拋運動.

師：由于水具有流動性和連續性的特點，能在空中直觀地顯示出平拋運動的軌跡，因此可以在連續流動的液體上“描跡”.

3.2 實驗方案設計

3.2.1 獲得持續做平拋運動的細水柱

師：請設計實驗方案，用某種器材實現水做平拋運動，最好是生活中常見的物品，這樣方便取材.下面請同學們分組討論，一會兒請同學匯報討論結果.

生：飲料瓶底端處扎個小孔.

實驗1：先在飲料瓶里裝好紅墨水并擰緊瓶蓋，然后將其放在升降臺上(圖1)，用加熱好的電烙鐵在瓶上扎一小孔，發現剛開始有水噴出，但很快水又停止流出.由于該實驗噴出細水柱的時間很短，可再用視頻慢鏡頭播放一遍.

師：瓶子里明明還有很多水，為什么不再流出來了呢？楊振寧說過，現象是物理學的根源．我們應該重視對物理現象的研究.而現在就有一個源于生活的原汁原味的物理現象呈現在我們面前，我們就要抓住機會，進行深入的研究.同學們想想看，水是否流出來，關鍵原因是什么？

圖1 飲料瓶裝置

生：小孔內外的壓強.

圖2 壓強模型

師：原始物理問題抽象成液體壓強模型(圖2).假設瓶內氣壓為p內，底端出水口B處的壓強為pB，大氣壓強p0,則底部壓強pB=p內+ρgh.由于瓶蓋是裝好水后擰上的，瓶內空氣的壓強為大氣壓強p0.因此出水口B處的壓強大于大氣壓強p0,則B孔出水.

師：那為什么很快又不出水了呢？

生：隨著B孔出水，氣體體積增大，瓶內氣體壓強減小，液面距B孔的距離h減小， 直到pB=p內+ρgh=p0，則B孔停止出水.

師：該實驗不能獲得持續噴出的細水柱，就無法描繪平拋運動的軌跡，怎么實現從小孔中持續噴出細水柱呢？

實驗2：用加熱好的電烙鐵在瓶蓋上再扎一小孔，細水柱從小孔B處持續噴出.然后用海綿膠封住瓶蓋上的小孔，水又停止流出.

師：討論下這次實驗成功的原因是什么？

生：瓶內氣體壓強為大氣壓強p0,pB=p0+ρgh，pB始終大于p0，則B孔持續出水.

3.2.2 獲得持續且穩定做平拋運動的細水柱

師：要描繪細水柱平拋運動的軌跡，需要什么樣的細水柱.

生：持續且穩定噴出的細水柱，否則描的點不是同一條軌跡上的.

師：現在這個設計的實驗方案，能噴出持續且穩定的細水柱嗎？

實驗3：撕掉剛才瓶蓋上的海綿膠，再次觀察實驗現象，細水柱平拋的水平距離變小了，軌跡并不是一條穩定的拋物線(圖3).

圖3 飲料瓶裝置

師：為什么細水柱的軌跡發生了變化.

生：底端小孔B處的壓強隨著液面的下降在不斷減小.

圖4 玻璃瓶裝置

師：如何獲取持續且穩定噴出的細水柱？下面進行實驗方案的改進(圖4).

師：改進后的玻璃瓶裝置能噴出持續且穩定的細水柱嗎？

生：隨著液面的下降，噴嘴處的壓強減小，是不穩定的細水柱.

師：該裝置的液面高度變化會影響到噴嘴處的壓強.那該如何解決這個問題呢？請同學們相互討論一下.

生：把直玻璃管上端浸入液面以下.

師：圖5中，直玻璃管A管口與大氣相通，壓強為大氣壓強，兩管口高度差h不隨液面高度的變化而變化，因此B處能噴出持續且穩定的細水柱.

圖5 細水柱發生裝置

3.3 驗證實驗方案 完善實驗方案

3.3.1 觀察細水柱發生裝置的實際工作情況

教師實物投影展示細水柱發生裝置(圖6)，并做儀器的介紹.為了控制水流，在直玻璃管豎直端加接了一段乳膠管，并用止水夾夾住.

圖6 細水柱發生裝置實物

實驗4：教師演示實驗，可看到噴出的細水柱在空中不斷抖動，非常不穩定(圖7).

圖7 不穩定的細水柱

3.3.2 改進細水柱發生裝置

師：關于壓強的理論有問題？還是實驗器材存在缺陷？同學們接著討論.

生：從直玻璃管管口出來的氣泡還不夠連續，導致管口的壓強不穩定，從而使噴嘴處的壓強發生了變化，噴出了抖動的細水柱.

師：非常精彩的分析.玻璃管的內徑為4 mm，還不夠細，導致出來的氣泡大而且不連續.因此可以在直玻璃管管口加接一段內徑為0.5 mm的鈍口針管作為進氣口(圖8).

圖8 鈍口針管作為進氣口

實驗5：教師再次演示實驗，比較裝置改進前后進氣口處氣泡的連續程度以及細水柱的穩定情況(圖9).

圖9 裝置改進前后比較

師：從實驗現象中能明顯觀察到鈍口針管中出來的氣泡更小更連續，噴出的細水柱持續且穩定.

3.4 描點坐標裝置

3.4.1 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10(a)為背面，(b)為正面.

圖10 底座

3.4.2 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.

圖11 半透明硫酸坐標紙

3.5 分組實驗及操作過程

(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(1)

(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(2)

(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(3)

(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).

圖15 操作步驟(4)

(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(5)

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 描點展示

(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(6)

3.6 數據處理

教師在展臺上展示幾組學生們描繪的平拋運動的軌跡，并提出以下兩個問題：

(1)如何利用已經描繪的軌跡圖來驗證平拋運動的軌跡是拋物線？

(2)計算平拋運動的初速度.

根據已經描繪的平拋運動的軌跡，課外完成學案中表格(表1)的填寫并得出相關結論.

表1 實驗數據記錄 查得當地g=______m/s2

4 教學感想

探究性實驗的功能不僅僅是通過實驗得出規律，更重要的在于根據實驗目的怎樣設計實驗,并在實驗中發現問題、解決問題、不斷完善實驗，改變只注重物理知識和結論而忽視探究過程的教學.在探究性實驗的設計過程中，往往由于沒有成熟的實驗方案，根據理論知識設計的初步方案在具體的實踐中，往往在細節上會出現意想不到的問題.比如說，本實驗中由于直玻璃管管口內徑的因素，導致理論上應該是噴出持續穩定的細水柱，結果看到的卻是不斷抖動的細水柱.這種與理論存在直接沖突的實際的物理現象是非常珍貴的.在解決這種問題的過程中，一定能發展學生的觀察能力、質疑能力、思考能力，以及嚴謹求實的科學精神.如果哪天發現實驗現象 “說謊”了，那么學生就又有機會體驗研究物理實驗的樂趣了.

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)．北京：人民教育出版社，2010.13～15

2 中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準(實驗)．北京：人民教育出版社，2003