基于DIS實驗的“研究平拋運動”實驗教學改進

李富恩 王曉梅 何彥雨

摘? ?要：平拋運動是高中物理曲線運動一章教學的一個重點和難點，本文將在課本的基礎上進行改進，并把國家二期課改所引入的DIS這一現代信息技術手段應用于此實驗的教學當中，探索高中物理實驗教學的新思路。

關鍵詞：平拋運動;描點法;DIS實驗;探究

1? 引言

研究平拋運動是人教版高中《物理·必修2》第五章第二、三節內容。拋體運動是自然界常見的運動形式，平拋運動是拋體運動的一個特例。課本從實驗的角度來探究平拋運動的規律，提供了三個參考方案：

方案1：利用描繪小球平拋運動的軌跡的斜槽和木板等實驗裝置，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過的位置，將這些描出的點用平滑曲線連接起來，即得到小球運動的軌跡。但是用這種方法尋找小球位置相對麻煩，有時一個點需要實驗好多次，并且找到的軌跡點誤差還會比較大，甚至有時還會把筆尖砸斷。

案例2：水平噴出的細水柱觀察要及時，不容易記錄，還有學生不同角度觀察影響效果。水剛噴出離開細管時，形成的水柱是連續的，而且還比較粗，之后逐漸變細到最后還可能變成水滴，另外由于空氣阻力的作用，水柱的軌跡會逐漸偏離平拋曲線，在取點時一定要取離出口近的點。

案例3：利用數碼照相機或數碼攝像機記錄小球的位置。

針對這些案例，在我校實驗配置的基礎上，借助朗威DIS設備和系統，我們對課本的實驗原理和實驗器材進行創新和改進，最終成功利用實驗直接在白紙上打出了小球的軌跡點，描出了平拋運動的軌跡，并且定量驗證了平拋運動的規律。

2? 實驗原理

（1）描繪小球平拋運動的軌跡;

（2）建立平面直角坐標系，根據軌跡上某點的坐標x、y，由x=v0t、y=gt2得初速度v0=。

我校現有的儀器是按照這個原理配備的，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，就說明位置找對了，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。該實驗的不足之處在于實際操作過程發現用筆尖找位置方法簡單，但不足之處有：1、筆尖易斷，2、小球容易落空。該案例實際操作中不能簡便[ 1 ]。

通過認真思考，并與其他的實驗進行對比發現，該實驗如果能使小球自己撞到帶有復寫紙的白紙上，以上問題就迎刃而解。沿著這個思路我們一直思索。反復嘗試。 最后改進成了此“平拋運動改進演示儀器” 結構簡單、操作方便，經濟實用，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，就能夠很清楚的看到白紙上的拋物線，非常直觀[ 2 ]。

3? 本節課用到的實驗器材

傳統平拋運動演示儀、小鋼球、鐵架臺、帶夾子的木板、復寫紙、A4紙、DIS平拋運動演示儀及其配套設備、光電門、數據采集器、計算機等。

4? 實驗教學內容及過程

（1）引導學生設計實驗

在課前導學案中給出這道實驗題目：某探究實驗小組設計了如下的研究平拋運動的實驗.實驗裝置示意圖如圖所示，A是一塊水平放置的平面木板，在A板上等間隔地開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寫紙，實驗時依次將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小球落到復寫紙上，就在其后的白紙上留下一個痕跡點.打完一點后，把B板向后插入下一槽中并同時向紙面內側平移距離d。重復以上操作，就在白紙上打下了若干痕跡點，如圖所示。

讓同學們根據這個題目展開想象，設計一個能夠直接在白紙上打點的實驗，設計過程如下：

①模仿例題劃線控制白板移動位置，我給出了坐標紙。

②有同學發現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，于是畫出了一條對角線。

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，在白板上固定一個標志（夾子），讓標志物沿著木條移動即可。

（2）利用學生參與設計的實驗教具進行實驗，如圖6。

實驗步驟：

①調整儀器，讓斜槽末端水平，保證小球離開斜槽做平拋運動;

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，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，記錄下了小球的平拋起點;

③讓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;

④重復上述操作，移動的距離足夠小時，就能在白紙上打下密集的無數點痕。

完成了實驗的第一步：觀察小球的落痕，清晰的看出小球的運動軌跡非常接近拋物線，完美完成實驗的第一步。

（3）利用打出的實驗點，建立坐標系，量出任意一點的橫、縱坐標x、y，根據平拋運動的規律計算出平拋運動的初速度v0。

（4）利用朗威 DISLab魔板（電磁定位系統）能夠自動記錄質點的位置，大大簡化了實驗過程，清晰直觀的呈現出質點運動的軌跡，達到本節課的實驗目的[3]。朗威 DISLab魔板（電磁定位系統）由電磁定位板①（參見圖中標號）、彈射器②、信號源③、接球底槽④、接球豎槽⑤、支架⑥及緊固件構成。實驗中搭建好實驗裝置，調節彈射器水平，使其卡槽與電磁定位板的上邊沿平行。連接至計算機，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，點擊軟件“零點設置”。將信號源壓入彈射器內，點擊軟件“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。

點擊系統軟件中的“X”、“Y”，自動繪制數據點在X軸和Y軸的投影;點擊軟件“二次擬合”，即可得到平拋運動軌跡符合二次函數關系。再次點擊軟件“加速度”，軟件自動繪制信號源水平方向和豎直方向分運動的v-t圖，并計算出加速度。得出水平方向為勻速直線運動。

?5? 總結與反思

實驗中教材的要求是把斜槽末端標記到坐標紙上，作為平拋運動的起點，通過實驗的改進讓同學們直接感受到了平拋運動的起點和斜槽末端的關系，并且能順利的分析出實驗的計算誤差來源，達到了又一個教學亮點。

使用數字化傳感器進行實驗來獲取一手實驗數據，改善數據采集精度，提升實驗效率。讓同學們深刻體會到教育技術的先進性以及科學的魅力。首先，實驗中用到的是電磁定位系統，能夠自動記錄并采集質點經過的每一個位置——即平拋運動的瞬時速度和平拋運動的時間，另外系統還能方便計算出平拋的水平距離，大大增大了實驗效率。

通過實驗中小球的落點，能夠在底板上讀出水平位移，跟系統計算出的數據進行對比，突出實驗的結果。這種對比方法也是物理學的一種重要研究方法。

參考文獻：

[1]趙露，王林.探究平拋運動規律的實驗設計[J].中國教育技術裝備，2016（21）：143-145.

[2]孟擁軍.“平拋運動”教材比較與教學建模[J].教學與管理，2015（16）：47-49.

[3]麥樹榮，李彤，沈立平.有效整合學生活動 構建物理高效課堂——以“平拋運動”為例[J].課程教學研究，2012（11）：47-51.