用DIS電磁定位魔板探究平拋運動的教學設計

王佳麗 張軼炳

(寧夏大學物理學院 寧夏 銀川 750021)

1 引言

平拋運動是高中物理教學中的重點和難點,是二維運動合成模型建立的典型案例[1]．對平拋運動的研究離不開實驗的支撐,在以往的教學中,教師多數使用平拋豎落儀、電磁鐵式平拋運動等傳統實驗儀器作為實驗裝置,從定性的角度研究平拋運動,雖能給學生帶來一定的視覺沖擊,但較難獲取平拋運動的軌跡,實驗的可視性不強,實驗誤差較大[2]．隨著信息技術的發展,現在也出現了很多用傳感器研究平拋運動的實驗設備．2019年新人教版物理必修2“實驗:探究平拋運動的特點”一節中的拓展學習部分介紹了用傳感器描繪物體做平拋運動的軌跡的實驗裝置,但缺少專門針對“研究平拋運動規律”的實驗設計與操作指南[3]．教師如果不加以引導,學生僅局限于儀器配套的說明書進行簡單操作,從界面顯示的圖像和數字中直接得到結論,沒有對物理原理進行深層理解的過程,難以達到科學探究的目的．另外,面對傳感器實驗對教學硬件要求高、學生實驗操作和數據分析弱化等因素的影響,很多教師在具體的實施中遇到了許多困難[4]．

對平拋運動的理解是研究其他復雜曲線運動的基礎．本節課涉及的知識看似簡單,實則較難理解,主要體現在對“化曲為直”“逆向思維”等科學思維的建立上．而實驗則是連接物理知識與科學思維的橋梁,我們借助DIS電磁定位魔板平拋運動實驗儀強大的數據分析功能和圖像處理功能完成本節課的探究教學,采用層層遞進的問題引導探究．在了解實驗設備原理以及操作步驟的基礎上,將傳感器實驗設計成一個探究方案,從觀察現象到記錄數據、分析現象及數據得出結論,將定性分析與定量分析相結合,運用先前必修1所學直線運動的相關規律探究平拋運動的規律,讓學生在動手操作和思考的過程中建立圖示、公式模型,培養學生提出問題、分析問題、解決問題的探究能力,促成科學思維的形成．

2 平拋運動四維核心素養及教學流程設計

2.1 平拋運動的四維目標

本節課的探究目標主要從核心素養的4個維度進行考量．物理觀念主要是知道拋體運動、平拋運動的概念及產生條件,理解平拋運動水平與豎直方向的速度、位移公式及軌跡方程;科學思維目標為能夠建立平拋運動軌跡的直角坐標系模型和公式模型,體會將曲線運動轉化為水平、豎直兩方向研究的“化曲為直”思想,能用自由落體的關系式逆向推理計算豎直方向分運動加速度的方法;科學探究目標從了解實驗設備,設計實驗方案、實施并觀察實驗、記錄數據并分析得出結論等方面培養學生動手操作能力及數據分析處理的能力;科學態度與責任為與伙伴交流合作,在實驗中體悟科學家做研究的精神．綜合以上4個維度,設計如下探究目標.

(1)物理觀念

a.能闡述平拋運動的定義,知道平拋運動是以一定的初速度將物體水平拋出的運動,在運動過程中只受重力的作用．

b.建立研究平拋運動的坐標系,能標出質點在各個時刻的速度．

(2)科學思維

a.通過實驗,建立二維運動合成的圖示和公式表征模型．

b.可以利用已知的直線運動規律來研究復雜的曲線運動,體會“化曲為直”的思想．

c.能通過數據繪制圖像,運用逆向思維推斷出平拋運動豎直方向做自由落體運動．

(3)科學探究

a.能對提出的問題形成預設性答案,并能確定研究變量．

b.能夠在了解DIS實驗設備的實驗原理基礎上,針對提出的探究問題及設備的實驗原理設計實驗方案．

c.能從觀察信號源運動點陣在水平方向均勻分布、豎直方向由密到疏,得出平拋運動在水平方向做勻速直線運動,豎直方向做勻加速直線運動的結論．

d.能夠根據Excel導出的數據,設計科學規范的表格．能夠通過分析數據歸納出平拋運動在水平和豎直方向的運動規律,并能用物理原理解釋結論．

(4)科學態度與責任

a.經歷探究平拋運動規律的實驗過程讓學生感悟物理學的理論是基于實驗證據的,在未來科學研究或生活實踐中養成基于證據的科學精神．

b.在小組合作學習的過程中,有主動與他人合作解決問題的意愿,勇于向他人分享自己的見解．

2.2 教學過程中達成四維目標的流程設計

本節課的教學流程如圖1所示,第一環節為回顧蠟塊實驗,啟發學生用“運動的合成與分解”的方法研究曲線運動,引導學生提出問題,明確實驗目的,確定待研究的物理量;考慮到學生對傳感器較為陌生,易因為膽怯影響探究效果,因此環節二先讓學生熟悉實驗儀器及操作步驟,在了解實驗設備的基礎上設計探究方案;第三環節主要為實施實驗、觀察現象,設計科學規范的表格記錄數據,體會傳感器實驗操作的便捷,感受科技進步為實驗帶來的變化;最后基于現象及數據進行分析論證,對水平、豎直方向的運動形式給出理論依據．其中,每一環節的子環節都與探究目標相對應,有效實現學科核心素養的培養．

圖1 用DIS電磁定位魔板探究平拋運動的教學流程圖

3 利用DIS電磁定位魔板平拋運動演示儀探究平拋運動規律的設計

傳感器實驗的集成化讓實驗操作十分簡便、快捷．然而,教師若沒有采取適當措施進行干預,學生僅根據圖像得到結論,易導致學生邏輯分析和數理推理能力不足．因此,在開展探究的過程中,我們采用“層進式”問題串作為探究導航[5],通過10個問題引導學生逐步完成探究子任務,讓學生在思考分析的過程中對知識進行深層加工,同時,也協助教師調控課堂節奏、完成過程性評價．

3.1 過程1——提出問題

根據科學探究提出問題能力要求,需要學生根據提供的材料提出研究問題,并能用物理術語闡述問題,找出研究的變量．

(1)幾個基本概念的得出

演示實驗1：讓學生水平拋出一個粉筆頭,并在作業紙上畫一個軌跡,分析一下粉筆頭的受力和初速度方向．

引導：查閱教材內容,關注拋體、軌跡、拋體運動、平拋運動術語,結合實驗歸納出物體作平拋運動需要的條件．

問題1：闡述拋體、拋體運動、平拋運動的概念及物體做平拋運動的條件．

設計意圖：鍛煉學生的觀察總結能力,能夠結合實驗查閱資料給一些簡單的物理概念下定義．

(2)二維運動的獨立性及二維運動的合成模型建立

回顧蠟塊實驗.

教師講解:如圖2所示,蠟塊的軌跡是由水平運動和豎直運動共同參與的．根據運動的合成與分解的方法在研究蠟塊的運動時需要:1)建立坐標系;2)根據軌跡特征分析水平X方向運動和豎直Y方向運動的規律,并寫出運動方程;3)根據運動方程推導出軌跡方程．

圖2 蠟塊的運動圖示

問題2：畫出蠟塊的軌跡圖,寫出蠟塊的X-t方程和Y-t方程,并推出Y-X軌跡方程

圖3 蠟塊運動研究方法——運動的合成與分解預設圖示

(3)提出研究問題,形成假設,找出需要研究的變量

引導：平拋運動是否也可以像蠟塊實驗一樣,用二維運動合成的方法進行研究?

問題3：提出你的研究問題,形成預設答案,需要研究哪些物理量?

設計意圖：能從物理學的角度明確地提出探究問題——“平拋運動可以用二維運動的合成的方法進行研究嗎?”,并做出假設,確定研究變量即水平運動的運動變量X,豎直方向的運動變量Y及二者的合成,水平運動的速度vX,豎直方向的速度vY,及合速度v．

3.2 過程2——根據問題及預設答案結合研究變量設計實驗方案

(1)需要的設備介紹及原理說明

DIS電磁定位魔板平拋運動演示儀如圖4所示,其主要由①彈射器、②信號源、③電磁定位魔板、④豎槽、⑤底槽、⑥支撐架及計算機軟件構成．

圖4 DIS電磁定位魔板平拋運動演示儀(a)與信號源(b)

該裝置是一種新型的二維運動實驗工具．信號源內的電路板控制有磁芯的線圈產生交變磁場,當信號源在電磁定位魔板附近運動時,魔板內排列的線圈會產生感生電動勢．測量電路通過檢測感生電動勢信號峰值,建立信號峰值與產生該信號峰值線圈的對應關系,系統從水平和垂直方向確定信號源所在位置[6],每隔0.01 s記錄一個位置點,通過數據線將所得數據傳輸至計算機,即可由計算機軟件通過內置的算法庫和公式庫實時描繪出信號源的運動軌跡．

(2)操作步驟

①調節彈射器水平,將信號源放置于合適位置,點擊操作界面中的“零點設置”．

②將信號源推至彈射器最里端,點擊“開始記錄”,按動彈射器上邊沿按鈕．彈射機匣的彈射桿彈出,推動信號源沿著軌道運動,讓信號源從零點飛出后開始運動,并落在接球底槽上,操作界面記錄相同時間間隔信號源運動的軌跡點．

③點擊“二次擬合”,可以得到一條光滑的曲線,即為平拋運動的軌跡．

④依次點擊界面中的“X”“Y”,可得拋物線軌跡在水平、豎直方向上的投影點陣．

⑤點擊操作欄中的“加速度”,得平拋運動在水平、豎直方向上的v-t圖像．

⑥將所得數據導出到Excel表格中,進行數據分析．

設計意圖：本環節改變僅按照說明書操作得到結論的實驗模式,介紹探究平拋運動所需要的設備,學生根據操作步驟熟悉流程,對實驗儀器及設備原理有基本的了解．

教師提示:拋體運動的軌跡容易獲得,需要實驗設備得出運動的軌跡,設想如何通過分析軌跡,找出X及Y的運動方程,再通過運動方程推理得出vX,vY及v．

(3)撰寫實驗方案

問題4：寫出你的實驗方案.

設計意圖：獲取平拋運動軌跡．觀察實驗操作界面水平運動點陣和豎直運動點陣,嘗試判斷水平和豎直兩方向的運動特點,通過Excel作圖分析數據,總結平拋運動兩方向的運動規律．探究方案的設計是在感官了解實驗設備的基礎上,將表象的事物轉換成語義進行編碼,鍛煉學生設計實驗的能力,促進學生綜合能力的提高．

3.3 過程3——實施實驗并觀察現象記錄數據

根據實驗設備的基本實驗原理和實驗方案,實施實驗,觀察現象并記錄數據．

(1)觀察現象

引導學生觀察實驗現象,建立研究平拋運動的坐標系．

問題5：平拋運動的軌跡如圖5所示,從圖中觀察到的是什么曲線,水平軸是什么,豎直軸是什么?看看數據區記錄數據的小數位能夠精確到幾位．思考傳感器實驗記錄數據和圖像與傳統尺子測量數據、用坐標紙畫圖的區別,談談技術進步對科學實驗的意義．

圖5 平拋運動軌跡點陣預設圖

設計意圖：引導學生觀察拋物線為Y-X曲線,水平軸是位移X坐標軸,豎直軸是位移Y坐標軸,明確所獲取軌跡的坐標元素．通過觀察數據的小數位,感受科技進步省去了復雜繁瑣的步驟為實驗帶來的便利性．

(2)記錄數據

問題6：根據導出到Excel表格的數據,設計記錄數據的規范表格(表1)．

表1 水平位移、豎直位移及時間數據預設記錄表(保留小數點后面四位)

設計意圖：通過設計表格(表1),鍛煉學生設計規范表格的能力,認識到科學收集數據的重要性．

3.4 過程4——分析現象及數據歸納結論

教師提示:回答問題時需基于證據得出結論,并用科學語言進行表達．

(1)由現象得出的結論

問題7：把每個點投影到水平方向和豎直方向,觀察圖形,得出規律．

設計意圖：通過觀察到水平方向點陣均勻分布、豎直方向點陣之間的距離規律的增加(圖6),推理出平拋運動在水平方向上做勻速直線運動,豎直方向上做加速直線運動,培養學生處理圖像的能力．

圖6 平拋運動軌跡投影在水平、豎直方向的點陣預設圖

引導：點擊操作欄中的“加速度”,可以通過直觀觀察得到加速度的值．

問題8：操作界面加速度一欄的圖像(圖7)中直線①、②的物理意義是什么?圖中A處顯示的加速度a是什么加速度?參考重力加速度的值,進行分析．

設計意圖：引導學生通過觀察圖像,發現直線①代表平拋運動水平方向分運動的v-t圖像;直線②代表平拋運動豎直方向分運動的v-t圖像,A處加速度值是傾斜直線②的斜率,也是豎直方向分運動的加速度,其值與重力加速度相近,可判斷平拋運動豎直方向分運動為自由落體運動,這對于理解運動的分解很重要.

圖7 平拋運動水平、豎直方向上的v-t預設圖像

(2)由數據得出的結論

引導：實驗設備可以獲得軌跡在相等時間間隔的位置坐標．試根據導出的位置數據,用Excel畫圖做進一步分析．

問題9：用Excel繪制X-t圖像和Y-t圖像,并進行擬合,分析圖形,能否得到平拋運動在水平和豎直方向的速度規律及位移規律．

X-t圖像,如圖8所示.

圖8 X-t預設圖像

Y-t圖像,如圖9所示.

圖9 Y-t預設圖像

問題10：設計方案,看能否得出豎直方向為自由落體運動．

圖10 預設圖像

教師提示:整理實驗儀器,小組成員交流討論實驗中獲得的發現,分析誤差產生的原因．

設計意圖：幫助學生養成良好的科學態度與行為習慣,培養學生的交流能力、歸納總結能力．

4 結束語

當前,教育改革正在深化,學生綜合素養不斷提升,改革的成果也在許多方面逐漸顯現出來.

利用傳感器實驗進行探究式教學時,以問題串的形式將整節課串了起來,輔之以DIS電磁定位魔板平拋運動實驗儀為載體,讓學生在熟悉實驗原理及操作步驟的基礎上,設計探究方案,由實驗現象、數據、圖像進行邏輯推理得出平拋運動的規律,極大地調動了學生的主動性,鍛煉了學生的觀察能力和分析論證能力,幫助學生實現對知識由淺入深的內化過程,促進學生思維模型的發展,有效提升了學生的物理學科核心素養．