平拋運動演示儀的改進與創(chuàng)新

許芙蓉 黃樹清

摘 要：探究平拋運動規(guī)律是平拋運動一節(jié)中的重難點，是一種典型的勻變速曲線運動，其于整個物理體系中所占據(jù)的地位不可忽視。然而教材以及在一般的課堂教學中，平拋實驗演示儀仍存在著一些不足。現(xiàn)就此指出教材中演示實驗裝置的缺陷，并簡要介紹對其的改進與創(chuàng)新。

關鍵詞：平拋運動；豎直方向；實驗；改進

“探究平拋運動規(guī)律”是高中物理新課標學生實驗中舉足輕重的探究實驗之一，為了達到更好的教學效果，攻克教學中的重難點，筆者對探究平拋運動在豎直方向運動規(guī)律的平拋運動演示儀進行了改進與創(chuàng)新，其彌補了傳統(tǒng)實驗演示儀不足的同時，還具有諸多優(yōu)點，值得推廣使用。

一、 傳統(tǒng)平拋運動演示儀的缺陷

司南版以及人教版普通高中課程標準實驗教科書，即《物理（必修2）》第三章“拋體運動”中第三節(jié)“平拋運動”，均采用如圖一所示的平拋運動演示儀實驗裝置。用小錘擊打彈性金屬片，使A球沿水平方向飛出，做平拋運動。改變實驗裝置離地面的高度和力度，多次實驗，觀察兩球是否同時落地，再用頻閃照相機記錄全程，分析頻閃照片中兩小球是否在同一時刻處于同一高度，從而驗證其于豎直方向上做自由落體運動。

該裝置確能驗證平拋運動在豎直方向上做自由落體運動，但是卻存在如下缺點：（一）實驗裝置過于笨重，不方便攜帶；（二）成本過高。倘若要實現(xiàn)每個學生都能進行實驗操作的可能，確是需要購進不少數(shù)量的演示儀，再加上價格不菲的頻閃照相機，部分偏遠落后并不發(fā)達的學校并不一定都能負擔得起；（三）操作繁瑣。頻閃照相機的使用并不是容易上手，一般僅限于教師的操作演示，并且拍攝過后還需與電腦連接，前后費時費力；（四）安全系數(shù)低。重錘的敲擊、鐵球的下落，在一個并不空闊且人多的教室里，均存在著潛在的安全隱患。

二、 對平拋運動演示儀的改進

針對以上傳統(tǒng)平拋運動演示儀的缺陷，筆者從生活中取材、操作便捷、效果良好，其原理圖如圖二所示。該演示儀由直尺、象棋、大理石組成。將一直尺放于桌面上的同時，一半伸出桌面，再將食指緊摁直尺中端，即桌子邊緣處，若用大理石水平快速敲擊露出桌面一端的尺子，則直尺將會繞手指頭所固定的點旋轉(zhuǎn)，基于這樣一個旋轉(zhuǎn)直尺，在桌面上尺子的一側(cè)緊挨地放置一顆象棋，在伸出桌面的尺子另一端上放置另一等大同質(zhì)的象棋。此時，在大理石的水平快速敲擊作用下，緊挨直尺的象棋會受到來自直尺的作用力，從而以一定初速度水平拋出，由于象棋所受重力遠大于空氣阻力，其做平拋運動；而另一位于直尺上的象棋，則因突然沒有支撐物而做自由落體運動。

如此這般，本實驗裝置巧妙地利用旋轉(zhuǎn)直尺將平拋運動和自由落體運動結(jié)合在了一起。實驗注意事項有：（一）選用盡量較長的直尺，因要緊挨、承托兩個象棋寬度的同時還須留有空間用大理石敲擊；（二）盡量選擇較重的象棋，方能忽略空氣阻力，視為平拋運動和自由落體運動；（三）大理石敲擊應迅速、水平。唯有迅速，處于尺子上方的象棋由于突然沒有支撐物的作用，從而其初速度方能視為零，也唯有水平敲擊，另一緊挨直尺的象棋才能擁有水平方向的初速度而做平拋運動；（四）在使用大理石敲擊直尺時，也應注意安全，切莫砸傷同學和實驗操作者。

敲擊后的兩枚象棋，由于高度相同并同時開始運動，因而若是同時落地則證實了平拋運動在豎直方向上即為自由落體運動。可分別從視覺和聽覺上判斷。為了更好地觀察和分析兩個物體的下落全程，筆者選用了帶有慢鏡頭回放功能的智能手機，可事先將錄制好的視頻拷至電腦，亦或現(xiàn)場錄制、上傳，投影于大屏幕。先用肉眼觀察慢鏡頭下的兩枚象棋，是否在任意時刻均處于同一高度；再進行視頻截圖劃線、定量分析，進一步科學地論證猜想，如圖三所示，以背景墻上的橫線作為參照，易得：做平拋運動的象棋與做自由落體運動的象棋在任意時刻均處于同一高度，從而驗證了平拋運動在豎直方向上即為自由落體運動的猜想。

圖三 慢鏡頭回放的部分截圖

三、 改進后的優(yōu)點

在對傳統(tǒng)平拋運動演示儀的改進和創(chuàng)新后，其存在著以下優(yōu)點：

（一） 取材便捷，利于攜帶。實驗僅需直尺、象棋和大理石這些在我們生活中極為常見普遍的物體，攜帶方便輕松，學生還可自行將實驗裝置帶至課堂。

（二） 成本低廉，性價比高。直尺和象棋是學生都會擁有的學習用品和棋類之一，大大降低了昂貴的成套實驗裝置成本，這對一些經(jīng)費緊張，無法支持和供給教學的學校和地區(qū)著實提供一個很好的參考。

（三） 操作簡易，推廣性強。實驗裝置組成成分簡易、操作簡單不繁瑣、容易上手、較好理解，學生課后也可以自己動手實驗，不再對冰冷的實驗儀器甚至科學產(chǎn)生距離感，同時解決了只能在課堂上操作實驗的空間局限性，讓其充分體會到“物理源于生活，又高于生活”的真理以及物理的魅力。

（四） 生動有趣，啟發(fā)思維。實驗新穎并富有創(chuàng)造性，讓學生明白物理也可以如此有趣、如此“玩耍”，激發(fā)學生學習物理的興趣，讓學生做生活的有心人，多留意生活中的物理現(xiàn)象，并且啟發(fā)學生思維，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新實踐能力。

（五） 科技前衛(wèi)，嚴謹高效。用具有慢鏡頭回放功能的智能手機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的頻閃照相機，提高實驗效率增強實驗效果的同時，令實驗結(jié)果更加科學精確，還讓學生們知道身邊中的高科技產(chǎn)品不僅僅用來娛樂，更可以用來學習，成為實驗儀器，從而服務于科學。更能正確引導學生、家長如何將利弊相隨的高科技產(chǎn)品揚長避短，啟發(fā)家長教師們辯證地看待現(xiàn)如今信息時代下的智能產(chǎn)品，使其成為輔助學習的有效幫手，還能體現(xiàn)物理與科技的緊密關聯(lián)，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。

四、 結(jié)束語

改進創(chuàng)新后的平拋運動演示儀較好地解決了傳統(tǒng)演示儀的缺陷，其擁有著實驗效果顯著、成本低廉、攜帶便捷、嚴謹高效等諸多優(yōu)勢，可提高教學效果、激發(fā)學生學習興趣，讓更多學生參與其中，從而達到教學目標。筆者期謹以此文可以給予更多一線教師工作者和理論研究者以啟發(fā)和參考。

參考文獻：

[1]張大昌.普通高中課程實驗教科書·物理·必修2[M].北京：人民教育出版社，2004：53-57.

[2]廖伯琴.普通高中課程標準實驗教科書·物理·必修2[M].濟南：山東科學技術出版社，2004：55-59.

[3]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.

作者簡介：

許芙蓉，黃樹清，福建省福州市，福建師范大學。