關于高中物理實驗拓展和優化

賈宛宜

摘? 要 隨著物理學研究的逐漸深入，物理實驗內容日益豐富，傳統物理學習方式已經不再適合學生自身發展需求。如何深入挖掘物理各理論之間的關聯，并對實驗內容進行拓展，是目前人們關注的焦點。主要以平拋運動為核心，對高中物理實驗的設計和優化過程進行探究，旨在實現物理學習的科學拓展。

關鍵詞 平拋運動;實驗;高中物理;智能化平拋實驗系統;實驗裝置

中圖分類號：G633.7??? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）19-0122-03

1 前言

在平拋運動實驗中，借助問題探究、實驗驗證、對比分析等過程進一步挖掘平拋中各項理論之間的關聯，對學生物理知識水平的提升和物理能力的培養具有非常積極的意義。尤其是在實驗拓展時，可以結合課本中的實驗內容進行實驗優化，尋找最佳實驗路徑，以減少不必要的操作，從根本上提升課堂實驗效益。

2 平拋運動理論

平拋運動是指物體在只受重力的環境下以一定的初速度水平方向拋出形成的運動。該物體拋出時在垂直方向、水平方向上的運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。

在平拋運動學習過程中必須把握好平拋運動的各項理論，對其運動特征進行全面分析。從其運動性質而言，可以將平拋運動看作水平方向勻速直線運動及垂直方向自由落體運動的合運動。計算時依照該運動性質進行分別計算，水平方向直接以勻速直線運動為主，垂直方向上計算自由落體運動數據，并通過平行四邊形法則對兩者的合運動狀況進行分析，以確定平拋運動的軌跡，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 對課本平拋運動實驗的分析

實驗內容? 高中物理課本中給出了研究平拋運動的實驗，該實驗開展的過程中首先對小球的平拋進行設計，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，下側形成懸空，就形成了簡單的平拋裝置。

設置完平拋裝置后，在小球下落區域背部放置一張紙板，將小球位置狀況在紙板上標注，并在實驗結束后將標注的點連成一條曲線，作為小球平拋運動時的運動軌跡。

紙板右側通過固定架固定一支鉛筆，鉛筆高度可以自由調整。小球在掉落過程中需要不斷調整鉛筆的高度，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，確定小球平拋運動中經過的點。

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

實驗存在的問題? 課本中給出的實驗具有簡單、易操作等優勢，在開展實驗過程中，上述器材非常容易獲取，能夠人手一套進行實驗，給了學生更多的實驗空間。但在實際操作過程中，筆者發現通過小球砸筆尖來判斷小球運動的位置難度較大，位置獲取的準確性較差，很容易出現運動軌跡的誤差，具體表現在以下幾個方面。

1）運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，造成實驗無法繼續下去。為了確保實驗能夠完成，需要不斷削鉛筆或準備相同長度的鉛筆以確保能夠準確定位小球位置，增加了許多不必要的操作，在實際實驗過程中費時費力，實驗效果并不理想。

2）實驗開展過程中通過小球砸筆尖這一方式實現小球的定位很容易出現誤差。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，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，這直接導致小球下落過程中位置確定出現一定的誤差。筆者在實際繪制過程中發現，自己繪制的平拋軌跡上部分點的位置與實際位置差異較大，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致，這種碰觸表面位置不同引起的誤差直接影響了實驗結果的準確性。

3）小球下落過程中非常容易出現落空。為了確保小球能夠順利砸到筆尖，在實驗過程中往往需要進行多次實驗。如筆者在確定第一個點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，操作難度較大，花費了幾分鐘對位置進行確定。在該基礎上繪制完整的平拋曲線時難度更大，花費的時間非常長，這在一定程度上影響了平拋運動實驗研究的成效。

4 平拋運動實驗的設計及優化

實驗的設計優化? 在實驗設計過程中受到平拋運動實驗中器材的限定，很難快速、準確對平拋位置進行確定，為此需要對實驗方案進行優化，借助其他裝置對小球下落的位置進行準確定位。筆者在優化過程中借鑒相關教學資料和網絡資料，對其進行整理和分析。

1）借助智能化設備開展實驗。智能化平拋實驗系統（如平拋實驗一體化設備、平拋實驗模擬平臺等）操作精度高，定位較為準確，可以快速、高效地獲得所需的數據信息，大大提升平拋運動實驗的科學性、有效性和規范性。但設備造價過高，學校往往只有一臺或兩臺，設備數量較少，根本不能滿足平拋實驗需求，在一定程度上限制了平拋實驗的操作空間。

2）對課本中的平拋實驗內容進行改進。筆者認為在實驗過程中可以對課本中的實驗裝置進行調整，對操作難度大的環節進行優化，使用其他裝置進行替代，以達到相同的實驗效果。如將“小球觸碰鉛筆筆尖”這一環節改為“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行替換，從而減少實驗中小球定位的難度，提升實驗效益。

①可以通過讓小球落到下落槽實現。但這一方法對球形槽的位置需要進行準確定位，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來確定位置。但上述實驗過程中需要不斷對下落位置進行分析，還需要不斷更換紙張，實際上實驗效果并不顯著，需要進行調整。

③將紙張換為細砂，用小球落到細砂上面的位置來確定水平位移。選擇細砂作為平拋運動實驗材料時，首先對原課本實驗中左側部分的裝置保持不動，只是將右側支架改裝成平行板支架，在板上放置細砂，通過調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砂上。由于細砂阻力較大，小球在落到細砂上后不會產生二次位移，可以準確進行小球水平位移的定位，這就減少了更換紙張的次數，同時提升了小球定位的準確性。該實驗中小球砸到細砂上的位置可以作為其水平位置，桌面高度減去固定細砂板鐵架的位置后的數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，對小球運動軌跡進行繪制。

筆者在反復多次進行實驗后發現：用細砂代替紙張和下落槽這兩種方法操作更加簡單，而且實驗過程中很少出現誤差，繪制小球下落的實際運動軌跡與小球理論上的運動軌跡基本一致，具有較強的可操作性。在課堂實驗操作過程中可以依照上述內容開展實驗，對課本中的裝置進行替換，以全面增強平拋實驗的實驗效果。

實驗開展的注意事項

1）實驗操作中要不斷總結經驗，對實驗過程中的各項問題進行分析，確定實驗中各個環節的具體作用及實驗操作之間的關聯，準確把握實驗要素，以確保平拋實驗能夠快速完成。高中物理實驗課堂并非僅僅依照課本中學習的內容進行模擬操作，尤其是在平拋實驗開展的過程中，需要對實驗內容進行全面了解，依照自身知識內容和小組之間的討論交流，對平拋實驗裝置的可行性進行分析。對存在問題的部分要及時進行優化和調整，充分利用教師提供的各項工具及實驗室中的器材，與教師和同學溝通、交流，對平拋實驗內容進行完善，形成最佳實驗方案。

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

3）在出現實驗誤差后要依照平拋運動的性質第一時間判斷實驗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？并結合操作內容、實驗設備等確定上述誤差的主要致因，分析上述誤差是否對后續實驗造成影響。對必然誤差可以適當忽略，但其他誤差要及時進行設備或操作的調整、規范，以確保平拋實驗能夠順利完成。

5 總結

平拋實驗開展過程中要對實驗裝置進行合理選擇，依照實驗要求做好實驗設計，確定實驗操作的要點和難點。尤其是在容易出現誤差的環節，要重點把握，不斷優化實驗過程中的各項內容，對實驗系統和裝置進行完善，以最大限度減小誤差，提升實驗的有效性和準確性。要對實驗方案進行調整，減少實驗花費的時間，從而獲得更多的自主探究空間，從根本上提升對平拋運動的認識和把握。

參考文獻

[1]來博遠.位移傳感器探究平拋運動的創新策略分析[J].中國現代教育裝備，2017（22）：46-47.

[2]王琦，王兢婧，劉忠民.基于小影APP的平拋運動教學設計創新與探索[J].中國教育技術裝備，2016（24）：150-152.

[3]趙愛春.基于新課程理念的平拋運動的教育價值及教學策略[J].內蒙古師范大學學報：教育科學版，2014，27（4）：

131-132.

[4]陳清.“探究平拋運動規律的實驗”的改進[J].學周刊，

2014（28）：189.

[5]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.

[6]李燕秋，代偉，羅微，等.平拋運動演示儀的改進[J].大學物理，2015，34（9）：27-30.