用DIS電磁定位魔板探究平拋運(yùn)動的教學(xué)設(shè)計(jì)

王佳麗 張軼炳

(寧夏大學(xué)物理學(xué)院 寧夏 銀川 750021)

1 引言

平拋運(yùn)動是高中物理教學(xué)中的重點(diǎn)和難點(diǎn),是二維運(yùn)動合成模型建立的典型案例[1]．對平拋運(yùn)動的研究離不開實(shí)驗(yàn)的支撐,在以往的教學(xué)中,教師多數(shù)使用平拋豎落儀、電磁鐵式平拋運(yùn)動等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器作為實(shí)驗(yàn)裝置,從定性的角度研究平拋運(yùn)動,雖能給學(xué)生帶來一定的視覺沖擊,但較難獲取平拋運(yùn)動的軌跡,實(shí)驗(yàn)的可視性不強(qiáng),實(shí)驗(yàn)誤差較大[2]．隨著信息技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在也出現(xiàn)了很多用傳感器研究平拋運(yùn)動的實(shí)驗(yàn)設(shè)備．2019年新人教版物理必修2“實(shí)驗(yàn):探究平拋運(yùn)動的特點(diǎn)”一節(jié)中的拓展學(xué)習(xí)部分介紹了用傳感器描繪物體做平拋運(yùn)動的軌跡的實(shí)驗(yàn)裝置,但缺少專門針對“研究平拋運(yùn)動規(guī)律”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作指南[3]．教師如果不加以引導(dǎo),學(xué)生僅局限于儀器配套的說明書進(jìn)行簡單操作,從界面顯示的圖像和數(shù)字中直接得到結(jié)論,沒有對物理原理進(jìn)行深層理解的過程,難以達(dá)到科學(xué)探究的目的．另外,面對傳感器實(shí)驗(yàn)對教學(xué)硬件要求高、學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)分析弱化等因素的影響,很多教師在具體的實(shí)施中遇到了許多困難[4]．

對平拋運(yùn)動的理解是研究其他復(fù)雜曲線運(yùn)動的基礎(chǔ)．本節(jié)課涉及的知識看似簡單,實(shí)則較難理解,主要體現(xiàn)在對“化曲為直”“逆向思維”等科學(xué)思維的建立上．而實(shí)驗(yàn)則是連接物理知識與科學(xué)思維的橋梁,我們借助DIS電磁定位魔板平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)儀強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能和圖像處理功能完成本節(jié)課的探究教學(xué),采用層層遞進(jìn)的問題引導(dǎo)探究．在了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理以及操作步驟的基礎(chǔ)上,將傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成一個(gè)探究方案,從觀察現(xiàn)象到記錄數(shù)據(jù)、分析現(xiàn)象及數(shù)據(jù)得出結(jié)論,將定性分析與定量分析相結(jié)合,運(yùn)用先前必修1所學(xué)直線運(yùn)動的相關(guān)規(guī)律探究平拋運(yùn)動的規(guī)律,讓學(xué)生在動手操作和思考的過程中建立圖示、公式模型,培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題的探究能力,促成科學(xué)思維的形成．

2 平拋運(yùn)動四維核心素養(yǎng)及教學(xué)流程設(shè)計(jì)

2.1 平拋運(yùn)動的四維目標(biāo)

本節(jié)課的探究目標(biāo)主要從核心素養(yǎng)的4個(gè)維度進(jìn)行考量．物理觀念主要是知道拋體運(yùn)動、平拋運(yùn)動的概念及產(chǎn)生條件,理解平拋運(yùn)動水平與豎直方向的速度、位移公式及軌跡方程;科學(xué)思維目標(biāo)為能夠建立平拋運(yùn)動軌跡的直角坐標(biāo)系模型和公式模型,體會將曲線運(yùn)動轉(zhuǎn)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(guān)系式逆向推理計(jì)算豎直方向分運(yùn)動加速度的方法;科學(xué)探究目標(biāo)從了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)施并觀察實(shí)驗(yàn)、記錄數(shù)據(jù)并分析得出結(jié)論等方面培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力及數(shù)據(jù)分析處理的能力;科學(xué)態(tài)度與責(zé)任為與伙伴交流合作,在實(shí)驗(yàn)中體悟科學(xué)家做研究的精神．綜合以上4個(gè)維度,設(shè)計(jì)如下探究目標(biāo).

(1)物理觀念

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

b.建立研究平拋運(yùn)動的坐標(biāo)系,能標(biāo)出質(zhì)點(diǎn)在各個(gè)時(shí)刻的速度．

(2)科學(xué)思維

a.通過實(shí)驗(yàn),建立二維運(yùn)動合成的圖示和公式表征模型．

b.可以利用已知的直線運(yùn)動規(guī)律來研究復(fù)雜的曲線運(yùn)動,體會“化曲為直”的思想．

c.能通過數(shù)據(jù)繪制圖像,運(yùn)用逆向思維推斷出平拋運(yùn)動豎直方向做自由落體運(yùn)動．

(3)科學(xué)探究

a.能對提出的問題形成預(yù)設(shè)性答案,并能確定研究變量．

b.能夠在了解DIS實(shí)驗(yàn)設(shè)備的實(shí)驗(yàn)原理基礎(chǔ)上,針對提出的探究問題及設(shè)備的實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案．

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

d.能夠根據(jù)Excel導(dǎo)出的數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)科學(xué)規(guī)范的表格．能夠通過分析數(shù)據(jù)歸納出平拋運(yùn)動在水平和豎直方向的運(yùn)動規(guī)律,并能用物理原理解釋結(jié)論．

(4)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

a.經(jīng)歷探究平拋運(yùn)動規(guī)律的實(shí)驗(yàn)過程讓學(xué)生感悟物理學(xué)的理論是基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)的,在未來科學(xué)研究或生活實(shí)踐中養(yǎng)成基于證據(jù)的科學(xué)精神．

b.在小組合作學(xué)習(xí)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(xué)過程中達(dá)成四維目標(biāo)的流程設(shè)計(jì)

本節(jié)課的教學(xué)流程如圖1所示,第一環(huán)節(jié)為回顧蠟塊實(shí)驗(yàn),啟發(fā)學(xué)生用“運(yùn)動的合成與分解”的方法研究曲線運(yùn)動,引導(dǎo)學(xué)生提出問題,明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?確定待研究的物理量;考慮到學(xué)生對傳感器較為陌生,易因?yàn)槟懬佑绊懱骄啃Ч?因此環(huán)節(jié)二先讓學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)儀器及操作步驟,在了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)探究方案;第三環(huán)節(jié)主要為實(shí)施實(shí)驗(yàn)、觀察現(xiàn)象,設(shè)計(jì)科學(xué)規(guī)范的表格記錄數(shù)據(jù),體會傳感器實(shí)驗(yàn)操作的便捷,感受科技進(jìn)步為實(shí)驗(yàn)帶來的變化;最后基于現(xiàn)象及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析論證,對水平、豎直方向的運(yùn)動形式給出理論依據(jù)．其中,每一環(huán)節(jié)的子環(huán)節(jié)都與探究目標(biāo)相對應(yīng),有效實(shí)現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)．

圖1 用DIS電磁定位魔板探究平拋運(yùn)動的教學(xué)流程圖

3 利用DIS電磁定位魔板平拋運(yùn)動演示儀探究平拋運(yùn)動規(guī)律的設(shè)計(jì)

傳感器實(shí)驗(yàn)的集成化讓實(shí)驗(yàn)操作十分簡便、快捷．然而,教師若沒有采取適當(dāng)措施進(jìn)行干預(yù),學(xué)生僅根據(jù)圖像得到結(jié)論,易導(dǎo)致學(xué)生邏輯分析和數(shù)理推理能力不足．因此,在開展探究的過程中,我們采用“層進(jìn)式”問題串作為探究導(dǎo)航[5],通過10個(gè)問題引導(dǎo)學(xué)生逐步完成探究子任務(wù),讓學(xué)生在思考分析的過程中對知識進(jìn)行深層加工,同時(shí),也協(xié)助教師調(diào)控課堂節(jié)奏、完成過程性評價(jià)．

3.1 過程1——提出問題

根據(jù)科學(xué)探究提出問題能力要求,需要學(xué)生根據(jù)提供的材料提出研究問題,并能用物理術(shù)語闡述問題,找出研究的變量．

(1)幾個(gè)基本概念的得出

演示實(shí)驗(yàn)1：讓學(xué)生水平拋出一個(gè)粉筆頭,并在作業(yè)紙上畫一個(gè)軌跡,分析一下粉筆頭的受力和初速度方向．

引導(dǎo)：查閱教材內(nèi)容,關(guān)注拋體、軌跡、拋體運(yùn)動、平拋運(yùn)動術(shù)語,結(jié)合實(shí)驗(yàn)歸納出物體作平拋運(yùn)動需要的條件．

問題1：闡述拋體、拋體運(yùn)動、平拋運(yùn)動的概念及物體做平拋運(yùn)動的條件．

設(shè)計(jì)意圖：鍛煉學(xué)生的觀察總結(jié)能力,能夠結(jié)合實(shí)驗(yàn)查閱資料給一些簡單的物理概念下定義．

(2)二維運(yùn)動的獨(dú)立性及二維運(yùn)動的合成模型建立

回顧蠟塊實(shí)驗(yàn).

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

圖2 蠟塊的運(yùn)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(yùn)動研究方法——運(yùn)動的合成與分解預(yù)設(shè)圖示

(3)提出研究問題,形成假設(shè),找出需要研究的變量

引導(dǎo)：平拋運(yùn)動是否也可以像蠟塊實(shí)驗(yàn)一樣,用二維運(yùn)動合成的方法進(jìn)行研究?

問題3：提出你的研究問題,形成預(yù)設(shè)答案,需要研究哪些物理量?

設(shè)計(jì)意圖：能從物理學(xué)的角度明確地提出探究問題——“平拋運(yùn)動可以用二維運(yùn)動的合成的方法進(jìn)行研究嗎?”,并做出假設(shè),確定研究變量即水平運(yùn)動的運(yùn)動變量X,豎直方向的運(yùn)動變量Y及二者的合成,水平運(yùn)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(jù)問題及預(yù)設(shè)答案結(jié)合研究變量設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

(1)需要的設(shè)備介紹及原理說明

DIS電磁定位魔板平拋運(yùn)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(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成．

圖4 DIS電磁定位魔板平拋運(yùn)動演示儀(a)與信號源(b)

該裝置是一種新型的二維運(yùn)動實(shí)驗(yàn)工具．信號源內(nèi)的電路板控制有磁芯的線圈產(chǎn)生交變磁場,當(dāng)信號源在電磁定位魔板附近運(yùn)動時(shí),魔板內(nèi)排列的線圈會產(chǎn)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(chǎn)生該信號峰值線圈的對應(yīng)關(guān)系,系統(tǒng)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(gè)位置點(diǎn),通過數(shù)據(jù)線將所得數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī),即可由計(jì)算機(jī)軟件通過內(nèi)置的算法庫和公式庫實(shí)時(shí)描繪出信號源的運(yùn)動軌跡．

(2)操作步驟

①調(diào)節(jié)彈射器水平,將信號源放置于合適位置,點(diǎn)擊操作界面中的“零點(diǎn)設(shè)置”．

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

③點(diǎn)擊“二次擬合”,可以得到一條光滑的曲線,即為平拋運(yùn)動的軌跡．

④依次點(diǎn)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(diǎn)陣．

⑤點(diǎn)擊操作欄中的“加速度”,得平拋運(yùn)動在水平、豎直方向上的v-t圖像．

⑥將所得數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格中,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析．

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)改變僅按照說明書操作得到結(jié)論的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?介紹探究平拋運(yùn)動所需要的設(shè)備,學(xué)生根據(jù)操作步驟熟悉流程,對實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備原理有基本的了解．

教師提示:拋體運(yùn)動的軌跡容易獲得,需要實(shí)驗(yàn)設(shè)備得出運(yùn)動的軌跡,設(shè)想如何通過分析軌跡,找出X及Y的運(yùn)動方程,再通過運(yùn)動方程推理得出vX,vY及v．

(3)撰寫實(shí)驗(yàn)方案

問題4：寫出你的實(shí)驗(yàn)方案.

設(shè)計(jì)意圖：獲取平拋運(yùn)動軌跡．觀察實(shí)驗(yàn)操作界面水平運(yùn)動點(diǎn)陣和豎直運(yùn)動點(diǎn)陣,嘗試判斷水平和豎直兩方向的運(yùn)動特點(diǎn),通過Excel作圖分析數(shù)據(jù),總結(jié)平拋運(yùn)動兩方向的運(yùn)動規(guī)律．探究方案的設(shè)計(jì)是在感官了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上,將表象的事物轉(zhuǎn)換成語義進(jìn)行編碼,鍛煉學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力,促進(jìn)學(xué)生綜合能力的提高．

3.3 過程3——實(shí)施實(shí)驗(yàn)并觀察現(xiàn)象記錄數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)施實(shí)驗(yàn),觀察現(xiàn)象并記錄數(shù)據(jù)．

(1)觀察現(xiàn)象

引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,建立研究平拋運(yùn)動的坐標(biāo)系．

問題5：平拋運(yùn)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(shù)據(jù)區(qū)記錄數(shù)據(jù)的小數(shù)位能夠精確到幾位．思考傳感器實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)和圖像與傳統(tǒng)尺子測量數(shù)據(jù)、用坐標(biāo)紙畫圖的區(qū)別,談?wù)劶夹g(shù)進(jìn)步對科學(xué)實(shí)驗(yàn)的意義．

圖5 平拋運(yùn)動軌跡點(diǎn)陣預(yù)設(shè)圖

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生觀察拋物線為Y-X曲線,水平軸是位移X坐標(biāo)軸,豎直軸是位移Y坐標(biāo)軸,明確所獲取軌跡的坐標(biāo)元素．通過觀察數(shù)據(jù)的小數(shù)位,感受科技進(jìn)步省去了復(fù)雜繁瑣的步驟為實(shí)驗(yàn)帶來的便利性．

(2)記錄數(shù)據(jù)

問題6：根據(jù)導(dǎo)出到Excel表格的數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)記錄數(shù)據(jù)的規(guī)范表格(表1)．

表1 水平位移、豎直位移及時(shí)間數(shù)據(jù)預(yù)設(shè)記錄表(保留小數(shù)點(diǎn)后面四位)

設(shè)計(jì)意圖：通過設(shè)計(jì)表格(表1),鍛煉學(xué)生設(shè)計(jì)規(guī)范表格的能力,認(rèn)識到科學(xué)收集數(shù)據(jù)的重要性．

3.4 過程4——分析現(xiàn)象及數(shù)據(jù)歸納結(jié)論

教師提示:回答問題時(shí)需基于證據(jù)得出結(jié)論,并用科學(xué)語言進(jìn)行表達(dá)．

(1)由現(xiàn)象得出的結(jié)論

問題7：把每個(gè)點(diǎn)投影到水平方向和豎直方向,觀察圖形,得出規(guī)律．

設(shè)計(jì)意圖：通過觀察到水平方向點(diǎn)陣均勻分布、豎直方向點(diǎn)陣之間的距離規(guī)律的增加(圖6),推理出平拋運(yùn)動在水平方向上做勻速直線運(yùn)動,豎直方向上做加速直線運(yùn)動,培養(yǎng)學(xué)生處理圖像的能力．

圖6 平拋運(yùn)動軌跡投影在水平、豎直方向的點(diǎn)陣預(yù)設(shè)圖

引導(dǎo)：點(diǎn)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(jìn)行分析．

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生通過觀察圖像,發(fā)現(xiàn)直線①代表平拋運(yùn)動水平方向分運(yùn)動的v-t圖像;直線②代表平拋運(yùn)動豎直方向分運(yùn)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(yùn)動的加速度,其值與重力加速度相近,可判斷平拋運(yùn)動豎直方向分運(yùn)動為自由落體運(yùn)動,這對于理解運(yùn)動的分解很重要.

圖7 平拋運(yùn)動水平、豎直方向上的v-t預(yù)設(shè)圖像

(2)由數(shù)據(jù)得出的結(jié)論

引導(dǎo)：實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以獲得軌跡在相等時(shí)間間隔的位置坐標(biāo)．試根據(jù)導(dǎo)出的位置數(shù)據(jù),用Excel畫圖做進(jìn)一步分析．

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

X-t圖像,如圖8所示.

圖8 X-t預(yù)設(shè)圖像

Y-t圖像,如圖9所示.

圖9 Y-t預(yù)設(shè)圖像

問題10：設(shè)計(jì)方案,看能否得出豎直方向?yàn)樽杂陕潴w運(yùn)動．

圖10 預(yù)設(shè)圖像

教師提示:整理實(shí)驗(yàn)儀器,小組成員交流討論實(shí)驗(yàn)中獲得的發(fā)現(xiàn),分析誤差產(chǎn)生的原因．

設(shè)計(jì)意圖：幫助學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)態(tài)度與行為習(xí)慣,培養(yǎng)學(xué)生的交流能力、歸納總結(jié)能力．

4 結(jié)束語

當(dāng)前,教育改革正在深化,學(xué)生綜合素養(yǎng)不斷提升,改革的成果也在許多方面逐漸顯現(xiàn)出來.

利用傳感器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究式教學(xué)時(shí),以問題串的形式將整節(jié)課串了起來,輔之以DIS電磁定位魔板平拋運(yùn)動實(shí)驗(yàn)儀為載體,讓學(xué)生在熟悉實(shí)驗(yàn)原理及操作步驟的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)探究方案,由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)、圖像進(jìn)行邏輯推理得出平拋運(yùn)動的規(guī)律,極大地調(diào)動了學(xué)生的主動性,鍛煉了學(xué)生的觀察能力和分析論證能力,幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)對知識由淺入深的內(nèi)化過程,促進(jìn)學(xué)生思維模型的發(fā)展,有效提升了學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)．