關(guān)于高中物理實(shí)驗(yàn)拓展和優(yōu)化

賈宛宜

摘? 要 隨著物理學(xué)研究的逐漸深入，物理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容日益豐富，傳統(tǒng)物理學(xué)習(xí)方式已經(jīng)不再適合學(xué)生自身發(fā)展需求。如何深入挖掘物理各理論之間的關(guān)聯(lián)，并對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行拓展，是目前人們關(guān)注的焦點(diǎn)。主要以平拋運(yùn)動為核心，對高中物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程進(jìn)行探究，旨在實(shí)現(xiàn)物理學(xué)習(xí)的科學(xué)拓展。

關(guān)鍵詞 平拋運(yùn)動;實(shí)驗(yàn);高中物理;智能化平拋實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)裝置

中圖分類號：G633.7??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）19-0122-03

1 前言

在平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)中，借助問題探究、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、對比分析等過程進(jìn)一步挖掘平拋中各項(xiàng)理論之間的關(guān)聯(lián)，對學(xué)生物理知識水平的提升和物理能力的培養(yǎng)具有非常積極的意義。尤其是在實(shí)驗(yàn)拓展時，可以結(jié)合課本中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，尋找最佳實(shí)驗(yàn)路徑，以減少不必要的操作，從根本上提升課堂實(shí)驗(yàn)效益。

2 平拋運(yùn)動理論

平拋運(yùn)動是指物體在只受重力的環(huán)境下以一定的初速度水平方向拋出形成的運(yùn)動。該物體拋出時在垂直方向、水平方向上的運(yùn)動速度及受力存在明顯差異，其垂直初始速度為0，垂直方向受力為mg，而水平方向初始速度為v0，水平方向上受力為0。

在平拋運(yùn)動學(xué)習(xí)過程中必須把握好平拋運(yùn)動的各項(xiàng)理論，對其運(yùn)動特征進(jìn)行全面分析。從其運(yùn)動性質(zhì)而言，可以將平拋運(yùn)動看作水平方向勻速直線運(yùn)動及垂直方向自由落體運(yùn)動的合運(yùn)動。計(jì)算時依照該運(yùn)動性質(zhì)進(jìn)行分別計(jì)算，水平方向直接以勻速直線運(yùn)動為主，垂直方向上計(jì)算自由落體運(yùn)動數(shù)據(jù)，并通過平行四邊形法則對兩者的合運(yùn)動狀況進(jìn)行分析，以確定平拋運(yùn)動的軌跡，其具體狀況如圖1所示。

在水平方向上：初速度為v0，在t秒后位移s=v0t。

在垂直方向上：初速度為0，加速度為g，在t秒后位移s=gt2。

3 對課本平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)的分析

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容? 高中物理課本中給出了研究平拋運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)開展的過程中首先對小球的平拋進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過一個曲線軌道讓小球從高處落下后能夠水平拋出。曲面末端為水平長直面，保證了小球在從高處落下的過程中能夠獲得水平方向的初速度。將上述曲面裝置放在水平桌面上，末端與桌邊重合，下側(cè)形成懸空，就形成了簡單的平拋裝置。

設(shè)置完平拋裝置后，在小球下落區(qū)域背部放置一張紙板，將小球位置狀況在紙板上標(biāo)注，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將標(biāo)注的點(diǎn)連成一條曲線，作為小球平拋運(yùn)動時的運(yùn)動軌跡。

紙板右側(cè)通過固定架固定一支鉛筆，鉛筆高度可以自由調(diào)整。小球在掉落過程中需要不斷調(diào)整鉛筆的高度，讓鉛筆筆尖與小球接觸，在紙板上繪制出不同高度時小球水平方向上的位置，并以水平位置和垂直位置為基礎(chǔ)，確定小球平拋運(yùn)動中經(jīng)過的點(diǎn)。

由于球在空中做平拋運(yùn)動的軌跡是一定的，可以在多次觀察小球的運(yùn)動情況后，將筆尖放在小球下落過程中可能出現(xiàn)的位置處，以減少小球空落的次數(shù)，快速找到小球的下落點(diǎn)，其具體狀況見圖2。

實(shí)驗(yàn)存在的問題? 課本中給出的實(shí)驗(yàn)具有簡單、易操作等優(yōu)勢，在開展實(shí)驗(yàn)過程中，上述器材非常容易獲取，能夠人手一套進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，給了學(xué)生更多的實(shí)驗(yàn)空間。但在實(shí)際操作過程中，筆者發(fā)現(xiàn)通過小球砸筆尖來判斷小球運(yùn)動的位置難度較大，位置獲取的準(zhǔn)確性較差，很容易出現(xiàn)運(yùn)動軌跡的誤差，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）運(yùn)動過程中小球逐漸下落時速度可能過大，打到筆尖上時很容易把筆尖打斷，造成實(shí)驗(yàn)無法繼續(xù)下去。為了確保實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲瓿桑枰粩嘞縻U筆或準(zhǔn)備相同長度的鉛筆以確保能夠準(zhǔn)確定位小球位置，增加了許多不必要的操作，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中費(fèi)時費(fèi)力，實(shí)驗(yàn)效果并不理想。

2）實(shí)驗(yàn)開展過程中通過小球砸筆尖這一方式實(shí)現(xiàn)小球的定位很容易出現(xiàn)誤差。由于鉛筆觸碰小球的過程中并不能夠確保是由筆尖觸碰小球表面上的固定點(diǎn)，可能是小球的前表面，也可能是小球的后表面，甚至小球正中心的下表面，這直接導(dǎo)致小球下落過程中位置確定出現(xiàn)一定的誤差。筆者在實(shí)際繪制過程中發(fā)現(xiàn)，自己繪制的平拋軌跡上部分點(diǎn)的位置與實(shí)際位置差異較大，在深入分析后確定這是由于鉛筆觸碰小球球面的位置不同導(dǎo)致，這種碰觸表面位置不同引起的誤差直接影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）小球下落過程中非常容易出現(xiàn)落空。為了確保小球能夠順利砸到筆尖，在實(shí)驗(yàn)過程中往往需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。如筆者在確定第一個點(diǎn)的過程中就不斷通過移動鉛筆的位置來找小球與鉛筆筆尖接觸點(diǎn)，操作難度較大，花費(fèi)了幾分鐘對位置進(jìn)行確定。在該基礎(chǔ)上繪制完整的平拋曲線時難度更大，花費(fèi)的時間非常長，這在一定程度上影響了平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)研究的成效。

4 平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化? 在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中受到平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)中器材的限定，很難快速、準(zhǔn)確對平拋位置進(jìn)行確定，為此需要對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化，借助其他裝置對小球下落的位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。筆者在優(yōu)化過程中借鑒相關(guān)教學(xué)資料和網(wǎng)絡(luò)資料，對其進(jìn)行整理和分析。

1）借助智能化設(shè)備開展實(shí)驗(yàn)。智能化平拋實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（如平拋實(shí)驗(yàn)一體化設(shè)備、平拋實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺等）操作精度高，定位較為準(zhǔn)確，可以快速、高效地獲得所需的數(shù)據(jù)信息，大大提升平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性、有效性和規(guī)范性。但設(shè)備造價過高，學(xué)校往往只有一臺或兩臺，設(shè)備數(shù)量較少，根本不能滿足平拋實(shí)驗(yàn)需求，在一定程度上限制了平拋實(shí)驗(yàn)的操作空間。

2）對課本中的平拋實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)。筆者認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)過程中可以對課本中的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行調(diào)整，對操作難度大的環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，使用其他裝置進(jìn)行替代，以達(dá)到相同的實(shí)驗(yàn)效果。如將“小球觸碰鉛筆筆尖”這一環(huán)節(jié)改為“在一定高度時將小球下落的位置固定”，使用其他裝置對筆尖定位裝置進(jìn)行替換，從而減少實(shí)驗(yàn)中小球定位的難度，提升實(shí)驗(yàn)效益。

①可以通過讓小球落到下落槽實(shí)現(xiàn)。但這一方法對球形槽的位置需要進(jìn)行準(zhǔn)確定位，操作難度過大。

②讓小球落到紙面上，用小球砸到紙面上形成的墨點(diǎn)來確定位置。但上述實(shí)驗(yàn)過程中需要不斷對下落位置進(jìn)行分析，還需要不斷更換紙張，實(shí)際上實(shí)驗(yàn)效果并不顯著，需要進(jìn)行調(diào)整。

③將紙張換為細(xì)砂，用小球落到細(xì)砂上面的位置來確定水平位移。選擇細(xì)砂作為平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)材料時，首先對原課本實(shí)驗(yàn)中左側(cè)部分的裝置保持不動，只是將右側(cè)支架改裝成平行板支架，在板上放置細(xì)砂，通過調(diào)整板的高度來確定小球下落的高度，讓小球從不同高度落到細(xì)砂上。由于細(xì)砂阻力較大，小球在落到細(xì)砂上后不會產(chǎn)生二次位移，可以準(zhǔn)確進(jìn)行小球水平位移的定位，這就減少了更換紙張的次數(shù)，同時提升了小球定位的準(zhǔn)確性。該實(shí)驗(yàn)中小球砸到細(xì)砂上的位置可以作為其水平位置，桌面高度減去固定細(xì)砂板鐵架的位置后的數(shù)值可以作為小球的垂直位移，依照兩者的位移狀況確定小球的下落點(diǎn)，對小球運(yùn)動軌跡進(jìn)行繪制。

筆者在反復(fù)多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：用細(xì)砂代替紙張和下落槽這兩種方法操作更加簡單，而且實(shí)驗(yàn)過程中很少出現(xiàn)誤差，繪制小球下落的實(shí)際運(yùn)動軌跡與小球理論上的運(yùn)動軌跡基本一致，具有較強(qiáng)的可操作性。在課堂實(shí)驗(yàn)操作過程中可以依照上述內(nèi)容開展實(shí)驗(yàn)，對課本中的裝置進(jìn)行替換，以全面增強(qiáng)平拋實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)開展的注意事項(xiàng)

1）實(shí)驗(yàn)操作中要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)過程中的各項(xiàng)問題進(jìn)行分析，確定實(shí)驗(yàn)中各個環(huán)節(jié)的具體作用及實(shí)驗(yàn)操作之間的關(guān)聯(lián)，準(zhǔn)確把握實(shí)驗(yàn)要素，以確保平拋實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩焖偻瓿伞８咧形锢韺?shí)驗(yàn)課堂并非僅僅依照課本中學(xué)習(xí)的內(nèi)容進(jìn)行模擬操作，尤其是在平拋實(shí)驗(yàn)開展的過程中，需要對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行全面了解，依照自身知識內(nèi)容和小組之間的討論交流，對平拋實(shí)驗(yàn)裝置的可行性進(jìn)行分析。對存在問題的部分要及時進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，充分利用教師提供的各項(xiàng)工具及實(shí)驗(yàn)室中的器材，與教師和同學(xué)溝通、交流，對平拋實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行完善，形成最佳實(shí)驗(yàn)方案。

2）在平拋實(shí)驗(yàn)開展過程中需要對平拋運(yùn)動理念進(jìn)行全面把握，分析好平拋運(yùn)動中的各項(xiàng)特性，對水平勻速直線運(yùn)動和垂直自由落體運(yùn)動分別進(jìn)行計(jì)算，再通過矢量法則確定合運(yùn)動的運(yùn)動狀況。尤其是在查找平拋運(yùn)動過程中小球的下落位置時，必須要對合運(yùn)動的運(yùn)動位置具有初步了解，依照課本中學(xué)習(xí)的理論知識，對平拋運(yùn)動中的初步位置進(jìn)行判斷，以減少平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)過程中的位置確認(rèn)時間。

3）在出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差后要依照平拋運(yùn)動的性質(zhì)第一時間判斷實(shí)驗(yàn)過程中誤差的具體狀況，是水平方向上的誤差，還是垂直方向上的誤差？并結(jié)合操作內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等確定上述誤差的主要致因，分析上述誤差是否對后續(xù)實(shí)驗(yàn)造成影響。對必然誤差可以適當(dāng)忽略，但其他誤差要及時進(jìn)行設(shè)備或操作的調(diào)整、規(guī)范，以確保平拋實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌瓿伞?/p>

5 總結(jié)

平拋實(shí)驗(yàn)開展過程中要對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行合理選擇，依照實(shí)驗(yàn)要求做好實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定實(shí)驗(yàn)操作的要點(diǎn)和難點(diǎn)。尤其是在容易出現(xiàn)誤差的環(huán)節(jié)，要重點(diǎn)把握，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程中的各項(xiàng)內(nèi)容，對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和裝置進(jìn)行完善，以最大限度減小誤差，提升實(shí)驗(yàn)的有效性和準(zhǔn)確性。要對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行調(diào)整，減少實(shí)驗(yàn)花費(fèi)的時間，從而獲得更多的自主探究空間，從根本上提升對平拋運(yùn)動的認(rèn)識和把握。

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