仿真實驗技術(shù)支持下規(guī)律探究教學(xué)的實踐

王漢權(quán)

摘? ?要：高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出了“積極探索信息技術(shù)與物理教學(xué)的深度融合”的教學(xué)要求。文章以“探究鉛球運動的最佳拋射角”為例，借助仿真實驗室軟件，把課外的鉛球運動帶進課內(nèi)探究教學(xué)之中，讓學(xué)生清晰觀察運動軌跡、靈活改變變量參數(shù)、精確測量實驗數(shù)據(jù)并進行規(guī)律的探究總結(jié)，既豐富了教學(xué)內(nèi)容、拓寬了知識面，又可以讓學(xué)生自主參與設(shè)計、測量論證，落實了建模、探究、推理、解釋等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)任務(wù)。

關(guān)鍵詞：鉛球運動；最佳拋射角；水平射程；核心素養(yǎng)

在研究斜拋運動的水平射程何時達到最大時（初速度v0一定），教學(xué)中常選擇以投擲鉛球運動為研究情境（如圖1所示）。當(dāng)鉛球以初速度v0與水平面成一定的夾角θ（θ稱為拋射角）拋出時，可把鉛球看成質(zhì)點，建立如圖2所示的xoy坐標(biāo)系，根據(jù)運動合成與分解規(guī)律得到：

從表1中數(shù)據(jù)可以看出：不計空氣阻力的情況下，鉛球運動的最佳拋射角為大家熟知的45°，最遠水平射程xm=10.21 m，與理論計算出的結(jié)果完全吻合。通過Excel圖表功能還可以進一步直觀地得到鉛球水平射程x與拋射角的sin（2θ）成正比關(guān)系的物理規(guī)律（如圖4中丙所示）。

實際上由于鉛球拋出時出手點會高出水平面有一定高度（如圖5所示），加之鉛球在運動中還會受到空氣阻力及風(fēng)向等因素的影響，鉛球?qū)嶋H運動要比上述的理想模型復(fù)雜得多，這時候鉛球的最佳拋射角會不會仍然是45°角？鉛球的水平射程究竟與哪些因素有關(guān)？這些疑團常常縈繞在同學(xué)們的心頭，同時也會成為引發(fā)學(xué)生積極去思考、主動去探究、認真去總結(jié)的重要契機。下面結(jié)合斜拋運動的相關(guān)知識和仿真實驗室技術(shù)，對鉛球?qū)嶋H復(fù)雜的運動進行深度探究和規(guī)律總結(jié)，幫助學(xué)生解決心疑問。

1? 探究鉛球出手點高h時最佳拋射角θ（不計空氣阻力）

結(jié)合鉛球?qū)嶋H運動情形在圖5中建立x-o-y坐標(biāo)系，設(shè)小球水平射程為x，從拋出到落地運動時間為t，由斜拋運動特點得：

若取初速度v0=10 m/s，出手高度h=2 m，重力加速度g=9.8 m/s2，可求得此時最大水平射程約為12.04 m，對應(yīng)的拋射角，查三角函數(shù)表得到θ=40.3°。

利用仿真實驗室構(gòu)建出如圖6所示的實驗界面，設(shè)置小球初始位置x=0，y=2 m（即出手高度h=2 m），改變不同的拋射角θ，測得水平射程x的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

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圖 6? 鉛球出手點高出水平面h的情形下實驗探究界面

實驗測量的數(shù)據(jù)與理論分析的結(jié)果也非常吻合：鉛球?qū)嶋H運動中由于出手點有一定高度，所以最佳拋射角要比45°角小一些，水平射程更大，從原來10.21 m提高到12.05 m，最佳拋射角、最遠水平射程均與初速度v0和出手高度h有關(guān)，所以一個優(yōu)秀的運動員需要結(jié)合自身出手習(xí)慣、拋球速度大小進行艱苦訓(xùn)練，從而達到穩(wěn)定最佳的拋射角度和最佳成績。

2? 探究鉛球受空氣阻力作用時最佳拋射角θ

（注：此軌跡方程主要說明阻力f作用時鉛球運動相當(dāng)復(fù)雜，高中階段對該方程不作要求）。至于這樣的運動情形，水平射程x一定會受到影響，那么最佳拋射角θ會不會受到影響？利用仿真實驗室在重力場實驗環(huán)境中加入了阻尼介質(zhì)，構(gòu)建了如圖8所示的實驗界面。實驗參數(shù)選擇：鉛球質(zhì)量5 kg，直徑12 cm，由f=kSv計算出k'=kS=0.034，g=9.8 m/s2，考慮到風(fēng)力等其它因素的影響，實驗中取k'=0.05，運行軟件得到如表3的實驗測量數(shù)據(jù)。

實驗界面

從實驗測量的表3數(shù)據(jù)中可以看出，空氣阻力會導(dǎo)致鉛球的水平射程x從原來的12.05 m降為11.52 m，影響還是比較明顯的，但對鉛球最佳拋射角θ影響并不大，仍大約在40°-42°左右，分析其原因主要是因為鉛球重力較大，加之鉛球的投擲速度不是很大（一般在10-15 m/s左右），所以阻力對運動軌跡的形狀影響不大。不過研究表明：鉛球比賽中如有風(fēng)力影響時，就要考慮在順風(fēng)時拋射角θ 略大一些，逆風(fēng)時拋射角θ要稍小一點，而像鐵餅、鏈球等運動項目，由于投擲速度較大，空氣阻力影響就會很明顯，最佳拋射角需要作出較大的調(diào)整，鐵餅和鏈球合適的拋射角范圍分別是30°～35°、42°～44°。

3? 探究鉛球出手過程如何獲得最佳拋射角和最大速度

選擇最佳拋射角僅僅是影響鉛球水平射程的因素之一，由公式③{11}{12}式都可以看出，速度v0是影響水平射程x的主要因素，因此運動員既要有自身素質(zhì)爆發(fā)獲得最大初速度v0的“硬實力”，又要有出手時控制好最佳拋射角θ的“技巧”，所以鉛球出手過程中體育運動技術(shù)的合理運用至關(guān)重要。研究鉛球在手中的運動過程，發(fā)現(xiàn)目前的投擲技術(shù)已從最原始的“上步直接推球”不斷演變?yōu)椤皞?cè)向滑步推球”“背向轉(zhuǎn)體90°推球”“背向旋轉(zhuǎn)180°推球”。之所以要選擇“背向旋轉(zhuǎn)180°”大角度旋轉(zhuǎn)的方式推擲鉛球出手，主要是能充分考慮到鉛球在直線和圓周運動過程中，能加長加速運行的距離，保證運動員集中更多的肌肉群參與最后的推球作用，從而獲得更大的初速度[ 3 ]。當(dāng)然在這樣螺旋上升過程中，運動員需要訓(xùn)練協(xié)調(diào)性保證持續(xù)加速，還需要適時地調(diào)整好鉛球運動方向和出手時機，最終實現(xiàn)出手速度大、方向不偏離、拋射角最佳的競技狀態(tài)。

通過上述的理論分析和實驗探究驗證，我們對鉛球運動項目及鉛球?qū)嶋H運動規(guī)律有了非常清晰的認識：鉛球由于受出手高度h、空氣阻力f等因素影響，最佳拋射角并不是固定在45°角，會因人而異，會因時而異，運動員之間的較量，不單是靠身體素質(zhì)的比拼，更是巧妙運用技術(shù)并長期訓(xùn)練達到提升爆發(fā)力（最大初速度v0）、運動協(xié)調(diào)性（旋轉(zhuǎn)中持續(xù)加速）和運動穩(wěn)定性（ 最佳出手時機和拋射角）的技巧技能的比拼。

上述探究教學(xué)實踐中我們還得到有益的啟示：把仿真實驗技術(shù)引入課堂，為學(xué)生構(gòu)建直觀、清晰、可控的研究場景，并讓學(xué)生參與實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)測量、規(guī)律總結(jié)等過程，學(xué)生表現(xiàn)得非常興奮，樂意去查閱資料、發(fā)現(xiàn)問題、主動探究，樂意與教師同學(xué)們進行交流討論，對規(guī)律的理解也就比較透徹，可謂是“樂學(xué)樂思在其中，理解運用更輕松”。信息技術(shù)融合課程、助力教學(xué)，是新課程改革的趨勢所在、教師使命所在，同時也是課改中如何更充分地融合課程、更有效地優(yōu)化教學(xué)、更徹底地落實素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的重要研究課題。

參考文獻：

［1］ 哈里德，瑞斯尼克，沃克. 物理學(xué)基礎(chǔ) [M] . 張三慧，李椿等，譯. 北京：機械工業(yè)出版社，2005：113-115.

［2］ 宋紹榮，管靖.面向21世紀(jì)課程教材.物理學(xué)（第五版）上冊[M] . 北京：高等教育出版社，2006：41-42.

［3］ 張浩. 用能量的觀點分析幾項田徑項目[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考，2018（1）：76-77.