中學物理教學中運用傳感器測定平拋運動軌跡的探索與實踐

任金宏

（天津市海河中學 天津 300201）

世界范圍內綜合國力的競爭關鍵在于科學技術，培養人才是基礎，科技進步和創新是增強綜合國力的決定性因素。“科學技術是第一生產力”，這句話充分闡釋了科學技術對一個國家、一個民族的重要性。科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼，而普及科學知識、弘揚科學精神、傳播科學思想、倡導科學方法要突出青少年這個重點，讓科技教育貫穿青少年成長成才各階段。“少年智則國智，少年富則國富，少年強則國強，少年獨立則國獨立，少年自由則國自由少年進步則國進步，少年勝于歐洲則國勝于歐洲，少年雄于地球則國雄于地球。”［1］

科技教育旨在提高青少年的科學素質，培養青少年獨立思考、創新思維的能力，引導他們關注周圍環境并增強社會責任感。

1 科技教育的重要性

1.1 實施科教興國戰略和人才強國戰略的需要

黨的二十大報告提出，“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰略性支撐。”同時提到，“堅持以人民為中心發展教育，加快建設高質量教育體系，發展素質教育，促進教育公平。”2022年4月發布的《義務教育科學課程（2022年版）》提出了“科學觀念、科學思維、探究實踐、責任態度”四大素養新目標，其中“探究實踐”意指“科學探究”和“技術與工程實踐”。業內專家認為，在我國推進教育現代化發展進程中，特別是在當前國際格局重塑背景之下，素質教育，尤其是科學教育的重要性愈加凸顯，需要社會多元力量的進一步推動。

因此，加強青少年科技教育和堅持育人為本是深入實施科教興國戰略和人才強國戰略、充分發揮科技第一生產力和人才第一資源作用、提高教育現代化水平的戰略需求，是實現我國從人口資源大國向人力資源強國轉變的需要。

1.2 創建創新型城市的需要

加強青少年科技教育是一個城市發展的需要。一個城市要實現經濟發展方式的快速轉變和完成跨越式高水平發展，關鍵在人才，基礎在教育。只有牢牢把握教育優先發展的根本大計，堅持育人為本，才能有力提升城市的自主創新能力，才能推動城市的產業結構優化升級，才能實現創新型城市建設。

青少年科技教育的實施是為了持續推進素質教育，堅持以人為本，踐行科學發展觀，以提高學生的綜合實踐素質和科技素養為目標和核心理念，其宗旨與城市發展戰略有異曲同工之妙。

1.3 教育改革與內涵發展的需要

基礎教育發展的出路在改革、在創新，發展的關鍵在于質量的提升。科技教育是實現教育內涵發展的有效途徑之一。實施中小學科技教育，堅持以人為本提升學生科學素養，豐富學校的教學形態，優化課程結構，給學校和教師營造自主發展的空間，給學校共識的信念和核心價值提供有形的載體，滿足學生多樣化的發展需要。

1.4 創新人才培養的需要

創新是民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力，尤其在21世紀知識經濟時代。聯合國教科文組織已將人的開拓、創新能力視為面對未來的三張通行證之一。加強對創新人才的培養成為大多數國家教育的使命。以強調探究為主要特征的科技教育對創新人才的成長起著巨大的不可替代的作用。

科技教育是提高青少年素質的重要途徑，是現代教育的核心，這不僅能使青少年獲得未來生活所需要的知識與技能，更重要的是獲得科學思想、科學精神、科學態度及科學方法的熏陶和培養。科技教育能讓廣大青少年樹立這樣一個牢固的信念：科學總是在尋求、發現和了解世界的真相，總是在研究和掌握新規律，它是創造性的，它又是在不懈地追求真理，需要我們不斷地努力奮斗。

2 結合平拋運動軌跡測定實驗探索科技教育途徑

2.1 實驗器材

平拋運動演示器、小球、光電門、振動傳感器、計算機（圖1）。

圖1 運用傳感器描述平拋運動軌跡實驗器材Fig.1 Experimental equipment of using sensors to describe flat throwing motion trajectory

2.2 實驗教學目標

①通過傳感器得到平拋運動的軌跡，知道平拋運動的條件及相應控制方法；確定多個點，會擬合平拋運動的軌跡。

②根據平拋運動的軌跡、初速度及軌跡方程判斷計算機擬合的圖像是否為拋物線。

③通過計算機探究平拋運動特點的實驗，了解科學探究中獲取及處理數據的方法。

2.3 實驗原理中改變傳感器測量不同物理量

教材中應用超聲波和紅外傳感器做此實驗（圖2），學生不能很好地理解測得軌跡的方法。新的實驗方法克服了這些不足，用光電門、振動傳感器來獲取數據，學生好理解，并能夠親身感受計算機獲取數據和處理數據的方法［2］。

2.4 實驗原理

①利用傳感器軌跡法得到小球運動的軌跡。讓小球從水平軌道拋出，用光電門測量出小球通過光電門的時間t1和通過振動傳感器測出從拋出到落地的飛行時間t2。由小球直徑（擋光寬度）和t1可以得到速度v0，由于光電門設置在水平軌跡的出口處，所以v0就是拋出的水平初速度。拋出點的高度h和著地點的水平位移x由人工測量得出。

通過比較x與、飛行時間與的大小，可以得到平拋運動的規律。通過觀察、比較落地點，可以得到平拋運動物體的軌跡。

③如果軌跡上各點的y坐標與x坐標間的關系具有的形式（a是一個常數），則軌跡是一條拋物線。

2.5 實驗過程中運用計算機進行擬合數據圖像

2.5.1 實驗教學內容

計算機通過光電門傳感器測得水平初速度，通過振動傳感器測得落地時間。輸入拋出點的高度和落地點的水平距離，計算機自動得到軌跡點。改變拋出點的高度可得到平拋軌跡，再進行擬合，分析初速度和軌跡方程。

2.5.2 實驗教學過程

①按照裝置圖裝好器材。點按光電門傳感器上的置零按鈕，選用飛行時間模式（使U、I－U－I 兩個指示燈同時亮）。調整飛行時間板與水平刻度線持平。在水平位移記錄紙標出水平零點。

②光電門清零，點擊“開始”按鈕，從軌道釋放小球。小球落地時點擊“結束”按鈕，結束本次采集。

③由飛行時間板上表面所對應的刻度得出拋出點高度。在水平位移記錄紙上讀出x值（對著地點作一標記，以避免與下次混淆）。

④把人工測量的高度、水平位移移入相應的框內，再點擊一下頁面上方的“重新計算”按鈕。

⑤改變飛行時間板的高度，重復步驟②~④，采集第二組數據。

⑥改變飛行時間板的高度，共采集5~7組數據。

⑦在下面數據處理表中，將初速度和橫坐標x值代入平拋運動軌跡方程，求得縱坐標y值，再和計算機通過運算擬合圖像中測得的y值做比較來分析實驗數據。如方程和圖像中y值相同，則圖像是拋物線（圖3）。

圖3 計算機擬合出的平拋運動軌跡圖像Fig.3 Image of flat throwing motion trajectory fitted by computer

在運動軌跡頁面內，觀察平拋落地點位置，得到平拋運動的軌跡。在實驗結果分析頁中，還可以對軌跡進行拋物線（二次多項式）的擬合，然后分析軌跡方程。

2.6 數據處理方法

數據處理方法為填表統計（表1）。

表1 平拋運動軌跡填入表格數據Tab.1 Table data of flat throwing motion trajectory

通過對比平拋運動軌跡方程和計算機從理論上推得的擬合圖像，說明拋物線是平拋運動的軌跡。

3 實驗注意事項和效果評價

3.1 注意事項

斜槽安裝，實驗中必須保證通過斜槽末端點水平。應在斜槽上適當位置釋放小球，使它以適當的初速度水平拋出，其軌跡要落在下面刻度板上。小球必須每次從斜槽上同一位置由靜止開始滾下，為此，小球須吸在電磁鐵同一位置。

3.2 實驗效果評價

通過分析軌跡方程和圖像，得到計算機擬合成的軌跡是一條拋物線。實驗軌跡方程得到的拋物線可能不過原點，原因可能是：拋出點和落地點讀數造成的誤差和小球所放在位置存在誤差。每次小球下落的初速度都略有不同，可能是小球不在同一位置釋放造成的誤差。

3.3 方法優勢

運用光電門和振動傳感器直接在計算機上測得小球在不同高度的軌跡點，并在計算機上直接表示出來。對軌跡點進行擬合，得到平拋運動軌跡。

①傳感器直接或間接測出平拋運動的物理量。平拋運動可以分解為水平方向和豎直方向的運動，而水平運動的初速度和豎直方向上的落地時間是平拋運動中很重要的2個物理量。在水平運動中，水平運動的初速度是可以通過光電門測得時間求得。在豎直運動中，落地的時間可以通過振動傳感器直接得到。這樣便于學生更好地理解平拋運動的規律。

②效率高。原理簡單，計算機處理方法簡單，僅需30 s就可以完成計算機處理。

③擴展空間大。如果將發射端的軌道旋轉，使初速度改變方向，則可完成斜拋的測量。

④誤差小。用傳感器測得的實驗數據誤差較小，軌跡相對準確，適用于探究式或驗證式教學。

⑤符合學生認知規律。通過此實驗，可知物體做平拋運動時的軌跡是拋物線，再借助平拋運動實驗儀進行學生分組實驗，學生學得輕松、愉快，課程也可以取得高效而滿意的結果［3］。

4 科技教育活動的重要意義

好奇和探求是讓學生的大腦“思考起來”的原動力，是使學生活躍的大腦皮層得到永久保持的有效手段。讓學生參加科學實驗活動能為學生提供擴展其好奇心和建立基礎科學理論的機會，還有助于學生日后的學習，使其創新思維升華為創新能力，物化為創造能力，成為名副其實的拔尖人才。

總之，教育是科技發展的基礎，少年兒童的素質教育關系到一個國家的綜合國力。“少年強則國強，少年富則國富”。開展好科技教育活動，學生的創造性、主動性得到充分發揮，這是提高我國青少年科學素質的重要途徑，也是國家提高科技競爭力的重要舉措。因此，在中小學應大力開展科學技術教育，此舉利在國家，利在社會，功在千秋，勢在必行。