巧用光電門改進(jìn)平拋運(yùn)動常規(guī)實(shí)驗(yàn)

劉春英

摘? ?要：核心素養(yǎng)背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得更加重要。但目前實(shí)驗(yàn)室所提供的實(shí)驗(yàn)器材中，許多器材都有這樣或那樣的瑕疵。因此，教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要有心理準(zhǔn)備，要主動改進(jìn)、重組現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材，使之為培育學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)揮更好的功能。本文就現(xiàn)有的平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)器材的不足進(jìn)行分析，同時(shí)提出改進(jìn)方法，并付諸于探究教學(xué)實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)效果更佳。

關(guān)鍵詞：平拋運(yùn)動;創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);探究教學(xué)

平拋運(yùn)動是高中物理教學(xué)的重點(diǎn)之一，是學(xué)生在學(xué)習(xí)直線運(yùn)動之后面臨的第一類曲線運(yùn)動。如何運(yùn)用直線運(yùn)動的規(guī)律來分析處理曲線運(yùn)動，幫助學(xué)生理解平拋運(yùn)動可以分解為沿水平方向的勻速直線運(yùn)動和沿豎直方向的自由落體運(yùn)動。對此，不同版本的教材提供了不同的實(shí)驗(yàn)探究方案，這是落實(shí)“通過實(shí)驗(yàn)，探究并認(rèn)識平拋運(yùn)動的規(guī)律[ 1 ]”的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出的要求。但在教學(xué)過程中，本人總感到這些教材提供的常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法有不盡人意之處，可以進(jìn)行改進(jìn)，讓實(shí)驗(yàn)效果更佳。下面就此談?wù)勛约旱挠^點(diǎn)和做法，與同行們共商榷。

1? 探究平拋運(yùn)動水平分運(yùn)動規(guī)律的器材的不足和改進(jìn)方法

1.1? 常規(guī)探究方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1，兩個(gè)相同的斜槽軌道P、Q，分別用于發(fā)射小鐵球M、N。兩軌道斜面頂端分別安裝有電磁鐵a、b，調(diào)節(jié)電磁鐵的高度，使h1=h2，以確保小鐵球M、N分別從兩軌道的出口處射出的水平初速度v0相等。將小鐵球M、N分別吸到兩軌道頂端的電磁鐵上，然后切斷電源，同時(shí)釋放兩小球，使兩球以相同的初速度從軌道末端水平射出。此后M球做平拋運(yùn)動，N球沿水平光滑軌道做勻速直線運(yùn)動[ 2 ]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩小球?qū)⒃贓處發(fā)生碰撞。通過本實(shí)驗(yàn)可得出的結(jié)論是：平拋運(yùn)動沿水平方向做勻速直線運(yùn)動。

1.2? 實(shí)驗(yàn)缺點(diǎn)分析

實(shí)驗(yàn)中，一是較難保證兩球從軌道末端水平射出的初速度相等。因?yàn)椴淮_定的因素多，比如在安裝時(shí)h1=h2可能存在偏差，兩軌道對小球運(yùn)動的摩擦阻力可能不相等，以及軌道的末端可能不呈水平狀態(tài)等;二是N球從軌道Q的末端射出后是在水平軌道上運(yùn)動，實(shí)際上要受到摩擦阻力的作用，不是做勻速直線運(yùn)動;三是兩小球在E處相碰作為同時(shí)到達(dá)的依據(jù)也可能存在較大的誤差，因?yàn)樵跇O短的時(shí)間內(nèi)人眼很難看清兩球是否上下對齊碰撞，如果是斜碰，前后相差就會有2～3 cm的偏差。

1.3? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法

現(xiàn)在光電門在各高中學(xué)校已經(jīng)是標(biāo)配器材，在平拋運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)中可以充分利用光電門的計(jì)時(shí)功能來彌補(bǔ)上述實(shí)驗(yàn)的缺點(diǎn)。

如圖2所示，讓同一小球從同一斜槽軌道上的同一點(diǎn)由靜止開始下滑，并做平拋運(yùn)動。重復(fù)多次后，大致確定平拋運(yùn)動的軌跡（如圖虛線所示），并在該軌跡線的兩側(cè)，沿豎直方向安裝四對光電門。其中，光電門1與光電門2的水平間距L1和光電門3與光電門4的水平間離L2應(yīng)相等，即L1=L2。這樣測得實(shí)驗(yàn)中小球從光電門1到光電門2的時(shí)間t1和從光電門3到光電門4的時(shí)間t2，如果t1=t2，說明在這兩段時(shí)間間隔內(nèi)小球在水平方向上的平均速度相等。再根據(jù)合運(yùn)動與分運(yùn)動的等時(shí)性，推出平拋運(yùn)動的沿水平方向的分動動應(yīng)是勻速直線運(yùn)動。本實(shí)驗(yàn)是從合運(yùn)動直接得出水平方向上的分運(yùn)動為勻速直線運(yùn)動的結(jié)論，避免了采用兩球?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)中水平軌道摩擦等因素的影響。

2? 探究平拋運(yùn)動豎直分運(yùn)動規(guī)律的器材的不足和改進(jìn)方法

2.1? 常規(guī)探究方法之一

如圖3所示，小球A從斜軌滑下后做平拋運(yùn)動，在經(jīng)過軌道末端開始做平拋運(yùn)動時(shí)啟動關(guān)電開關(guān)，切斷電磁鐵電源，使B球在A球開始平拋運(yùn)動的同時(shí)，也開始做自由落體運(yùn)動[ 2 ]。本實(shí)驗(yàn)從兩球的同時(shí)落地，說明兩球在豎直方向上的運(yùn)動規(guī)律相同，從而證明平拋運(yùn)動沿豎直方向的分運(yùn)動屬于自由落體運(yùn)動。

缺點(diǎn)是：判斷同時(shí)落地的依據(jù)是聽到同一落地聲。由于小球落地后會反彈，與地面碰撞會發(fā)出多次的碰撞聲，這給學(xué)生聽聲判斷帶來困難。

2.2? 常規(guī)探究方法二

利用頻閃照片描繪平拋運(yùn)動軌跡，再利用軌跡上的點(diǎn)進(jìn)行分析探究。如圖4所示，若相鄰兩位置的水平間距離都相等，則說明平拋運(yùn)動的水平分運(yùn)動為勻速直線運(yùn)動。如果測得0與1兩位置的豎直間距為s1， 1、2兩位置的豎直間距為s2， 2、3兩位置的豎直間距為s3，當(dāng)滿足s1∶s2∶s3=1∶3∶5關(guān)系時(shí)，說明平拋運(yùn)動在豎直方向上的分運(yùn)動為初速度為零的勻加速直線運(yùn)動，再用逐差法算出加速度a的值等于重力加速度g，則證明豎直分運(yùn)動為自由落體運(yùn)動。

缺點(diǎn)是：課本提供的頻閃照片不是現(xiàn)場拍的，學(xué)生沒有經(jīng)歷拍攝過程;如要要現(xiàn)場拍攝，一是采用數(shù)碼相機(jī)連拍，還需用軟件將多張照片進(jìn)行合成，精度不夠高;二是使用數(shù)碼單反相機(jī)的慢門結(jié)合頻閃燈拍攝，這對環(huán)境、操作的要求高。

2.3? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方法

可利用光電門實(shí)驗(yàn)克服上述缺點(diǎn)。如圖5所示，利用前面圖3的器材配上四對光電門。其中光電門1與光電門2用以記錄平拋運(yùn)動的A球在兩光電門之間運(yùn)動的時(shí)間t1;光電門3與光電門4記錄B球在兩光電門之間運(yùn)動的時(shí)間t2。這里關(guān)鍵是，光電門1與光電門3要安置在同一水平線上，光電門2與光電門4安置在另一水平線上。如果t1=t2，說明球A在豎直方向上與B球的運(yùn)動同步，從而說明平拋運(yùn)動沿豎直方向的分運(yùn)動是自由落體運(yùn)動。為體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的一般性，可以同時(shí)將光電門1與光電門3升高或?qū)⒐怆婇T2與光電門4降低，以進(jìn)行多次的測量。本實(shí)驗(yàn)通過上述的改進(jìn)之后，可以更直觀、定量的探究平拋運(yùn)動沿豎直方向的運(yùn)動規(guī)律。

3? 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法所用到的器材

圖6所示的是本人制作的平拋運(yùn)動演示儀的實(shí)物圖，主要有：

移動白板1塊、光電開關(guān)1對、光電門4對、12007計(jì)時(shí)器2臺、斜槽軌道（末端水平）、PVC制作的接收槽、鋼球3個(gè)、強(qiáng)力磁鐵若干、電線槽、電線若干條、強(qiáng)力膠水。

這些器材取材于學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室，組裝難度不大，造價(jià)不高，易于操作。

4? 教學(xué)實(shí)踐與體會

傳統(tǒng)的教具不是不能用，也并非改進(jìn)的教具就一定比傳統(tǒng)的好，但在教學(xué)實(shí)踐中如果稍加改變或?qū)⒍呓Y(jié)合起來，往往會獲得更好的實(shí)驗(yàn)育人效果。本人的處理方法是，在探究平拋運(yùn)動在水平方向上的運(yùn)動規(guī)律時(shí)，先用上述圖1所示的實(shí)驗(yàn)裝置讓學(xué)生對平拋運(yùn)動先有一個(gè)定性的認(rèn)識，再通過圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置與學(xué)生一道進(jìn)行定量的實(shí)驗(yàn)探究;在探究平拋運(yùn)動沿豎直方向的運(yùn)動規(guī)律時(shí)，先用圖3所示的實(shí)驗(yàn)裝置讓學(xué)生先有一個(gè)定性的認(rèn)識，再通過圖4、圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行定量的探究。這樣的處理方法可以讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中經(jīng)歷定性和定量兩種探究過程，經(jīng)歷多種探究方法，進(jìn)一步加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這對提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)大有裨益。

結(jié)束語：采用改進(jìn)型平拋運(yùn)動演示儀具有多方面優(yōu)勢，最大的優(yōu)越點(diǎn)就是學(xué)生可以直接通過測量數(shù)據(jù)，得出平拋運(yùn)動沿水平方向和沿豎直方向的運(yùn)動規(guī)律。同時(shí)，變表面現(xiàn)象的觀察為通過測量數(shù)據(jù)的精確分析。當(dāng)然，也還有一個(gè)缺憾，就是該演示儀沒有得到廠家的批量生產(chǎn)，教學(xué)中還只能是師生共同使用一套儀器進(jìn)行探究。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[[S].北京：人民教育出版社，2018：14-18.

[2]黃巧曦. 注重學(xué)生學(xué)習(xí)過程的“平拋運(yùn)動”教學(xué)實(shí)錄[J].中國教師，2020（1）：44-46.