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        探究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        2017-03-07 12:02:27趙露王林
        中國(guó)教育技術(shù)裝備 2016年21期
        關(guān)鍵詞:平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        趙露+王林

        摘 要 采用一種新的設(shè)計(jì)方案來記錄平拋物體的運(yùn)動(dòng)軌跡,有助于在教學(xué)中讓學(xué)生觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,分析實(shí)驗(yàn)規(guī)律,從而更牢固地掌握物理知識(shí)。

        關(guān)鍵詞 平拋運(yùn)動(dòng);運(yùn)動(dòng)軌跡;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

        中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

        文章編號(hào):1671-489X(2016)21-0143-03

        1 問題的提出和解決設(shè)想

        在中學(xué)物理教學(xué)中,如何教好平拋運(yùn)動(dòng),已成為無數(shù)中學(xué)物理教師所困擾的難題。人教版必修二教科書上提供了幾種記錄拋體運(yùn)動(dòng)軌跡的方法,有些可行,有些操作起來存在局限性。有些教師提出通過復(fù)寫紙的方法來描繪拋體下落的軌跡,經(jīng)過多次試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)這種方法的可行性不

        大:由于拋體下落時(shí)間短,而且下落時(shí)不會(huì)緊貼復(fù)寫紙,因此在復(fù)寫紙上幾乎不會(huì)留下任何痕跡。

        在實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到小球下落的高度為22.4 cm,小球下落的總時(shí)長(zhǎng)約為0.2 s,由于下落時(shí)間太短,就必須采取一些手段來捕捉小球的運(yùn)動(dòng)軌跡。本文嘗試采用一種新的方法來解決這一問題。

        2 實(shí)驗(yàn)的理論基礎(chǔ)

        運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性原理:平拋運(yùn)動(dòng)可看作水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)以及豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)[1]。平拋運(yùn)動(dòng)的物體,由于只受到重力作用,所受的合外力為恒力,因此,平拋運(yùn)動(dòng)是勻變速曲線運(yùn)動(dòng),平拋物體的運(yùn)動(dòng)軌跡為一拋物線,如圖1所示。

        平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡方程可以表示為:

        水平方向:x=v0t 豎直方向:y=1/2·gt2

        某一時(shí)刻水平方向和豎直方向的速度分別為:

        水平方向:vx=v0 豎直方向:vy=gt。

        3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及操作

        實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路 平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的描繪和運(yùn)動(dòng)的分解,那么實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的第一步就是如何較為準(zhǔn)確地將小球的運(yùn)動(dòng)軌跡描繪出來。首先通過改變小球下落的高度來逐次描點(diǎn),記錄每次小球落地的位置,將這些點(diǎn)連起來即為小球的運(yùn)動(dòng)軌跡。但是這種方法存在一定的誤差,由于小球在每次下落時(shí)會(huì)受到一些外在環(huán)境的影響,不能做到完全一致[2]。因此,通過將小球的下落過程拍成視頻,然后利用會(huì)聲會(huì)影軟件中的慢放功能,將視頻進(jìn)行慢放。小球下落時(shí)長(zhǎng)為0.2 s,進(jìn)行×10倍慢放,即將下落過程延長(zhǎng)為2 s,然后暫停截屏取點(diǎn),描出小球的運(yùn)動(dòng)軌跡。這種方法更接近小球運(yùn)動(dòng)的真實(shí)軌跡。

        實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)中用到的器材主要有平拋運(yùn)動(dòng)演示儀和平拋豎落儀。如圖2所示,平拋運(yùn)動(dòng)演示儀主要由底座、軌跡板、壓紙夾、可調(diào)節(jié)的落槽、坐標(biāo)紙、小球組成;如圖3所示,平拋豎落儀由彈簧片、底板、擺錘、平拋球、豎落球組成。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)注意實(shí)驗(yàn)儀器的準(zhǔn)確使用,避免因儀器使用不當(dāng)而造成的誤差。

        實(shí)驗(yàn)操作

        【實(shí)驗(yàn)1】

        1)軌跡板是厚2 mm的帶有方格的鐵板,上邊安裝有壓紙夾,將軌跡板固定在底座上,調(diào)節(jié)螺母,使軌跡板底端與水平面平行,利用重錘線使得軌跡板與水平面垂直。

        2)將弧形槽安裝在軌跡板的左上角,可以自由裝卸,其上的釋放開關(guān)位置可沿弧形槽上下移動(dòng),以用來改變小球下落的初速度。

        3)用平衡法檢驗(yàn)弧形槽是否調(diào)平,即將小球輕放在弧形槽平直部分的末端處,能使小球在平直軌道上的任意位置靜止,就表明水平已調(diào)好。

        4)調(diào)整軌跡板:用懸掛在槽口的重錘線把軌跡板調(diào)整到豎直方向,并使木板平面與小球下落的豎直面平行。在重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程中,軌跡板與斜槽的相對(duì)位置保持不變。

        5)用壓紙夾將坐標(biāo)紙固定在軌跡板上,使坐標(biāo)紙的下端與落槽邊緣重合。

        6)描繪運(yùn)動(dòng)軌跡,有兩種方法。

        ①在落槽底端粘貼好雙面膠,使小球每次都從某一固定位置下落。先將落槽固定在靠近小球下落導(dǎo)軌的地方,釋放小球,然后在坐標(biāo)紙上描出小球下落的位置(以小球的球心為準(zhǔn));向下移動(dòng)落槽,依次記錄數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)共記錄小球的10個(gè)位置(圖4),將這10個(gè)點(diǎn)連起來即為小球運(yùn)動(dòng)的軌跡圖,如圖6中所示的軌跡。

        ②將小球沿導(dǎo)軌下落的過程進(jìn)行拍攝,通過會(huì)聲會(huì)影軟件進(jìn)行×10倍的慢放,選擇適當(dāng)時(shí)刻進(jìn)行截屏取點(diǎn)。因小球運(yùn)動(dòng)速度較快,本次實(shí)驗(yàn)共取5個(gè)點(diǎn),如圖5所示,從圖中可以看出描出的點(diǎn)實(shí)際為小弧段。雖然取點(diǎn)較少,但是小弧段可以較為準(zhǔn)確地將小球的運(yùn)動(dòng)軌跡描繪出來,即圖6中的軌跡1。這種方法更接近小球的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡,相對(duì)而言誤差較小。

        【實(shí)驗(yàn)2】將平拋豎落儀固定在平拋運(yùn)動(dòng)軌跡板上,然后按照實(shí)驗(yàn)要求擺放平拋球和豎落球,放下擺錘,使得兩個(gè)小球同時(shí)開始運(yùn)動(dòng)。多次實(shí)驗(yàn),觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

        4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡 將兩次的軌跡圖放在一張坐標(biāo)紙上(圖6),會(huì)發(fā)現(xiàn)有部分點(diǎn)是重合的。從整體上看,兩條軌跡接近重合,證明通過方法1畫平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡是可行的。從兩條軌跡均可發(fā)現(xiàn),做平拋運(yùn)動(dòng)的物體,其軌跡為一條拋物線。

        平拋運(yùn)動(dòng)的分解 在觀察自由落體運(yùn)動(dòng)和平拋運(yùn)動(dòng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí),只能從兩個(gè)小球落地所發(fā)出的聲音來判斷兩個(gè)小球是否同時(shí)下落,這種方法帶有很大的主觀性,不太科學(xué)。通過將上述實(shí)驗(yàn)過程拍成視頻,在會(huì)聲會(huì)影中同樣進(jìn)行×10倍慢放,會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)小球幾乎同時(shí)下落,但是做自由落體運(yùn)動(dòng)的小球落地時(shí)間要稍微先于做平拋運(yùn)動(dòng)的小球。

        通過這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以得出,做平拋運(yùn)動(dòng)的物體,在豎直方向相當(dāng)于自由落體運(yùn)動(dòng),也就是在豎直方向做初速度為零、加速度為g的勻加速運(yùn)動(dòng)。那么既然知道了豎直方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,只要知道水平方向的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,就可以解決平拋運(yùn)動(dòng)的相關(guān)問題。

        5 注意事項(xiàng)及實(shí)驗(yàn)說明

        1)實(shí)驗(yàn)中必須保持通過弧形槽末端點(diǎn)的切線水平,軌跡板必須處在豎直面內(nèi),且與小球運(yùn)動(dòng)軌跡所在的豎直平面平行,并使小球的運(yùn)動(dòng)靠近軌跡板且不接觸,這一點(diǎn)可以利用小球在木板上的隨遇平衡來檢驗(yàn)。

        2)在坐標(biāo)紙上準(zhǔn)確地確定小球通過的一系列位置時(shí),需要小球多次從斜槽自由滑下做平拋運(yùn)動(dòng)。為保證每次都具有相同的平拋初速度v0,小球每次從斜槽開始自由滑下的位置都要相同。

        3)為了減小測(cè)量誤差,應(yīng)適當(dāng)選擇小球在斜槽上開始滑下的位置,使小球平拋曲線盡量充滿坐標(biāo)紙,也就是小球在坐標(biāo)紙上的所謂“落地點(diǎn)”要盡量靠近紙的右下方。

        6 誤差分析

        1)水平軌道調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)有一些偏差,不能做到絕對(duì)水平,導(dǎo)致結(jié)果的不準(zhǔn)確。

        2)描點(diǎn)時(shí)不能準(zhǔn)確找到小球的球心,且每次對(duì)球心的把握會(huì)有偏差,帶有很強(qiáng)的主觀性。

        3)小球從同一高度滾下的狀況不能做到各次完全一致,因此用描點(diǎn)法描出的軌跡和拋體運(yùn)動(dòng)的真實(shí)軌跡有一定的偏差[3]。

        4)在實(shí)驗(yàn)2中觀察到的做自由落體運(yùn)動(dòng)的小球落地時(shí)間要稍微先于做平拋運(yùn)動(dòng)的小球這一現(xiàn)象,經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),是由于平拋球和豎落球的初始位置有一定的偏差,而平拋球與水平面的摩擦力也是原因之一。

        7 結(jié)論及反思

        實(shí)驗(yàn)中應(yīng)明確如何利用求得的拋物線方程來將平拋運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分解。在實(shí)際教學(xué)中,教師可以通過任務(wù)卡或問答的形式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主探究,學(xué)生通過各種嘗試,最終找到描繪軌跡的方法,不僅完成了教學(xué)任務(wù),而且培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力。實(shí)驗(yàn)中用來描繪拋體運(yùn)動(dòng)軌跡的方法雖然可行,但是在實(shí)際課堂操作上存在一定的局限性,適合應(yīng)用于對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證及科研。因此,在實(shí)際教學(xué)中仍需對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡描繪做進(jìn)一步的研究。

        參考文獻(xiàn)

        [1]彭天柱.“平拋物體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)器”的改進(jìn)[J].四川師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1988(3).

        [2]唐軍,孫貴民.研究平拋物體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)[J].物理實(shí)驗(yàn),1990(1):21-23.

        [3]朱慶林.如何解析平拋運(yùn)動(dòng)常見題型[J].中學(xué)生數(shù)理化:教與學(xué),2014(7).

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