基于DIS实验的“研究平抛运动”实验教学改进

    李富恩 王晓梅 何彦雨

    

    

    

    摘? ?要：平抛运动是高中物理曲线运动一章教学的一个重点和难点，本文将在课本的基础上进行改进，并引入DIS这一现代信息技术手段应用于此实验的教学当中，探索高中物理实验教学的新思路。

    关键词：平抛运动;描点法;DIS实验;探究

    引言

    研究平抛运动是人教版高中《物理·必修2》第五章第二、三节内容。抛体运动是自然界常见的运动形式，平抛运动是抛体运动的一个特例。课本从实验的角度来探究平抛运动的规律，提供了三个参考方案：

    方案1：利用描繪小球平抛运动的轨迹的斜槽和木板等实验装置，让小球每次从斜槽上同一位置滚下，用铅笔的笔尖试探描出小球经过的位置，将这些描出的点用平滑曲线连接起来，即得到小球运动的轨迹。但是用这种方法寻找小球位置相对麻烦，有时一个点需要实验好多次，并且找到的轨迹点误差还会比较大，甚至有时还会把笔尖砸断。

    案例2：水平喷出的细水柱观察要及时，不容易记录，还有学生不同角度观察影响效果。水刚喷出离开细管时，形成的水柱是连续的，而且还比较粗，之后逐渐变细，到最后还可能变成水滴，另外由于空气阻力的作用，水柱的轨迹会逐渐偏离平抛曲线，在取点时一定要取离出口近的点。

    案例3：利用数码照相机或数码摄像机记录小球的位置。

    针对这些案例，在我校实验配置的基础上，借助朗威DIS设备和系统，我们对课本的实验原理和实验器材进行创新和改进，最终成功利用实验直接在白纸上打出了小球的轨迹点，描出了平抛运动的轨迹，并且定量验证了平抛运动的规律。

    1? 实验原理

    （1）描绘小球平抛运动的轨迹;

    如图1，我校现有的仪器是按照这个原理配备的，利用实验室的斜面小槽等器材让小球从斜面上同一点滚下做平抛运动。如果小球每次都能碰到笔尖，就说明位置找对了，用铅笔描出小球的位置，用平滑的曲线连起来就得到平抛运动轨迹。该实验的不足之处在于实际操作过程发现用笔尖找位置方法简单，但不足之处有：笔尖易断;小球容易落空。该案例实际操作中不能简便[ 1 ]。

    通过认真思考，并与其他的实验进行对比发现，该实验如果能使小球自己撞到带有复写纸的白纸上，以上问题就迎刃而解。沿着这个思路我们一直思索，反复尝试。最后改进成了此“平抛运动改进演示仪器” ，其结构简单、操作方便，经济实用，在白纸上打出的点特别清晰，如果每次移动的距离足够短，打出的点足够多，就能够很清楚的看到白纸上的抛物线，非常直观[ 2 ]。

    2? 本节课用到的实验器材

    传统平抛运动演示仪、小钢球、铁架台、带夹子的木板、复写纸、A4纸、DIS平抛运动演示仪及其配套设备、光电门、数据采集器、计算机等。

    3? 实验教学内容及过程

    （1）引导学生设计实验

    在课前导学案中给出这道实验题目：某探究实验小组设计了研究平抛运动的实验，实验装置示意图如图2（a）所示，A是一块水平放置的平面木板，在A板上等间隔地开凿出一系列的平行的凹槽（图2中P0P0′、P1P1′…），槽间距离均为d。B板也为一块平面木板，在B板上面依次铺上白纸和复写纸，实验时依次将B板插入A板的靠近斜槽的第一插槽中，让小球从斜轨的某一位置由静止释放当小球落到复写纸上，就在其后的白纸上留下一个痕迹点。打完一点后，把B板向后插入下一槽中并同时向纸面内侧平移距离d。重复以上操作，就在白纸上打下了若干痕迹点，如图2（b）所示。

    让同学们根据这个题目展开想象，设计一个能够直接在白纸上打点的实验，设计过程如下：

    ①模仿例题划线控制白板移动位置，我给出了坐标纸。

    ②有同学发现按照例题中移动白板，相当于沿着坐标纸的方格对角线移动，于是画出了一条对角线。

    ③既然想到了让白板沿着对角线移动，那我们可以附上一木条，在白板上固定一个标志（夹子），让标志物沿着木条移动即可（如图3）。

    （2）利用学生参与设计的实验教具进行实验，如图4。

    实验步骤：

    ①调整仪器，让斜槽末端水平，保证小球离开斜槽做平抛运动;

    ②让白板贴着斜槽末端，利用边缘的重锤保证白板处于竖直状态，让小球从一定高度滚下，小球直接打到带着复写纸的白纸上，记录下了小球的平抛起点;

    ③让白板上的夹子贴着木条，往后移动一小段距离，让小球从相同高度滚下，再次打下一个点;

    ④重复上述操作，移动的距离足够小时，就能在白纸上打下密集的无数点痕。

    完成了实验的第一步：观察小球的落痕，清晰的看出小球的运动轨迹非常接近抛物线，完美完成实验的第一步。

    （3）如图5，利用打出的实验点，建立坐标系，量出任意一点的横、纵坐标x、y，根据平抛运动的规律计算出平抛运动的初速度v0。

    （4）利用朗威 DISLab魔板（电磁定位系统）能够自动记录质点的位置，大大简化了实验过程，清晰直观的呈现出质点运动的轨迹，达到本节课的实验目的[ 3 ]。朗威 DISLab魔板（电磁定位系统）由电磁定位板①（参见图6中标号）弹射器②信号源③接球底槽④接球竖槽⑤支架⑥及紧固件构成。实验中搭建好实验装置，调节弹射器水平，使其卡槽与电磁定位板的上边沿平行。连接至计算机，打开魔板专用软件包，选择“平抛运动”。打开信号源电源开关，将信号源置于弹射器卡槽内，点击软件“零点设置”。将信号源压入弹射器内，点击软件“开始记录”，按下弹射器开关，软件自动记录信号源的平抛运动轨迹（如图7）。

    点击系统软件中的“X”“Y”，自动绘制数据点在X轴和Y轴的投影;点击软件“二次拟合”，即可得到平抛运动轨迹符合二次函数关系。再次点击软件“加速度”，软件自动绘制信号源水平方向和竖直方向分运动的v-t图，并计算出加速度。得出水平方向为匀速直线运动（如图8）。

    4? 总结与反思

    实验中教材的要求是把斜槽末端标记到坐标纸上，作为平抛运动的起点，通过实验的改进让同学们直接感受到了平抛运动的起点和斜槽末端的关系（见图9），并且能顺利的分析出实验的计算误差来源，达到了又一个教学亮点。

    使用数字化传感器进行实验来获取一手实验数据，改善数据采集精度，提升实验效率。让同学们深刻体会到教育技术的先进性以及科学的魅力。首先，实验中用到的是电磁定位系统，能够自动记录并采集质点经过的每一个位置——即平抛运动的瞬时速度和平抛运动的时间，另外系统还能方便计算出平抛的水平距离，大大增大了实验效率。

    通过实验中小球的落点，能够在底板上读出水平位移，跟系统计算出的数据进行对比，突出实验的结果。这种对比方法也是物理学的一种重要研究方法。

    参考文献：

    [1]赵露，王林.探究平抛运动规律的实验设计[J].中国教育技术装备，2016（21）：143-145.

    [2]孟拥军.“平抛运动”教材比较与教学建模[J].教学与管理，2015（16）：47-49.

    [3]麦树荣，李彤，沈立平.有效整合学生活动 构建物理高效课堂——以“平抛运动”为例[J].课程教学研究，2012（11）：47-51.