孫 策

(浙江省慈溪市慈中書(shū)院,浙江 寧波 315300)

·物理實(shí)驗(yàn)·

基于教材實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)與創(chuàng)新
——平拋運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究

孫 策

(浙江省慈溪市慈中書(shū)院,浙江 寧波 315300)

教材中的實(shí)驗(yàn)“研究平拋運(yùn)動(dòng)”參考案例2,采用了水平射出的細(xì)水柱來(lái)顯示平拋運(yùn)動(dòng)軌跡,既直觀簡(jiǎn)單,又貼近學(xué)生生活.但是,把這一案例作為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),在實(shí)際教學(xué)中很少見(jiàn)到.究其原因,這一看起來(lái)非常簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn),真正實(shí)踐起來(lái)卻會(huì)遇到了各種各樣意想不到的問(wèn)題.

平拋運(yùn)動(dòng)軌跡； 細(xì)水柱； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

1 問(wèn)題的提出

人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)《物理·必修2》第5章第3節(jié)“實(shí)驗(yàn):研究平拋運(yùn)動(dòng)”是高中階段重要的一個(gè)分組實(shí)驗(yàn).它既是對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)理論的鞏固和驗(yàn)證,也是一次培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作能力的機(jī)會(huì).該實(shí)驗(yàn)有3個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?一是通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段描繪出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡,二是根據(jù)所繪軌跡探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,三是通過(guò)平拋運(yùn)動(dòng)軌跡求出物體的初速度.可以看出,3個(gè)目的都離不開(kāi)平拋運(yùn)動(dòng)軌跡.因此,正確描繪出平拋運(yùn)動(dòng)軌跡是本實(shí)驗(yàn)的前提,教材中提供了3個(gè)參考案例.[1]在實(shí)際的教學(xué)中以參考案例1(利用鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)描繪軌跡)為最多,基本上每個(gè)學(xué)校都配備了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)儀器.但該實(shí)驗(yàn)最大的問(wèn)題是不能直接顯示出小鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡,需要多次描點(diǎn)才能在白紙上間接描繪出小球的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡.實(shí)驗(yàn)時(shí),控制條件較多,記錄小球的具體位置時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)較大的誤差,實(shí)驗(yàn)者需要較高的實(shí)驗(yàn)操作技能,才能描繪出較理想的軌跡.參考案例3用數(shù)碼照相機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī)記錄平拋運(yùn)動(dòng)軌跡,雖然精確度較高,但缺點(diǎn)也非常明顯:一是很多實(shí)驗(yàn)室沒(méi)配置數(shù)碼相機(jī);二是實(shí)驗(yàn)者需要掌握攝影攝像技術(shù),顯然學(xué)生不可能都精通;三是自動(dòng)化的設(shè)備不利于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理理解和實(shí)驗(yàn)操作能力的培養(yǎng).

李政道也曾經(jīng)說(shuō)過(guò):“自己動(dòng)手做的儀器,永遠(yuǎn)比買的好”.因此,高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,實(shí)驗(yàn)裝置要選擇盡量簡(jiǎn)單,實(shí)驗(yàn)原理要簡(jiǎn)單明了,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象要顯著直觀.這樣,通過(guò)物理實(shí)驗(yàn),就能很好地幫助學(xué)生理解和掌握物理概念、規(guī)律,完成從理論到實(shí)踐的升華.基于以上原因,筆者選擇了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加顯著直觀的水柱的平拋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的小球平拋,并對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中遇到的各種問(wèn)題進(jìn)行了分析、改進(jìn)和創(chuàng)新.

2 實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)

2.1 細(xì)水柱發(fā)生裝置

圖1

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置的部件設(shè)計(jì)與改進(jìn).

如圖1所示,A管口與大氣相通,壓強(qiáng)始終等于大氣壓強(qiáng).液面下降到A管口前,由于A、B管口高度差不變,可知噴嘴處流出的細(xì)水柱是持續(xù)穩(wěn)定的(圖1).

圖2 止水裝置

改進(jìn)1:為了防止裝有適量水的玻璃瓶倒置時(shí),水從直玻璃管下端流出來(lái),可在直玻璃管的末端加接了一段橡膠管并用止水夾夾住(圖2).

該裝置設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于噴嘴的選材和連接,教材中只是籠統(tǒng)地提到“玻璃管的水平端加接一段更細(xì)的硬管作為噴嘴”.

圖3

改進(jìn)2:用塑座不銹鋼點(diǎn)膠針頭作為噴嘴,前端為長(zhǎng)13 mm的圓柱形不銹鋼鈍口針頭,后端為塑座螺口(圖3).點(diǎn)膠針頭不但內(nèi)徑小而且規(guī)格眾多(0.06 mm～1.55mm),通過(guò)選擇內(nèi)徑合適的點(diǎn)膠針頭就能獲取較細(xì)的細(xì)水柱,提高實(shí)驗(yàn)的精確度.用500 mL廣口瓶裝水,經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)點(diǎn)膠針頭的內(nèi)徑小于0.51 mm時(shí),不再噴出細(xì)水柱,而是間斷地從點(diǎn)膠針頭滴出水珠.當(dāng)點(diǎn)膠針頭的內(nèi)徑在0.51 mm～0.84 mm之間時(shí),雖然能噴出細(xì)水柱,但細(xì)水柱很快就發(fā)散了.經(jīng)實(shí)驗(yàn)反復(fù)比較,最終確定內(nèi)徑為1.55 mm的點(diǎn)膠針頭作為噴嘴,噴出的細(xì)水柱能形成一段相對(duì)較長(zhǎng)又整潔的拋物線.

塑座螺口的內(nèi)徑(5 mm左右)和玻璃管的外徑(6 mm左右)很難匹配,再考慮到接口處的密封性,因此塑座螺口不可能直接套在玻璃管上.

改進(jìn)3: 截取5 mL巴氏滴管的一小段漏斗形塑料管,如圖4方框內(nèi)所示的那一段,把內(nèi)徑小的一端插入塑座螺口,內(nèi)徑大的一端套在水平端玻璃管上(圖5).

圖4

圖5

圖6

用電鉆在橡膠塞上開(kāi)兩個(gè)直徑略小于玻璃管外徑的小孔,將改進(jìn)后的玻璃管插入小孔中,再用橡膠塞塞住瓶口,這樣就完成了細(xì)水柱發(fā)生裝置的裝配.該裝置主要有500 mL廣口瓶、橡膠塞、兩端開(kāi)口的直玻璃管和L形直角玻璃管、橡膠管、止水夾以及點(diǎn)膠針頭等部件組成(圖6).

(2) 實(shí)驗(yàn)裝置的驗(yàn)證與完善.

用該裝置做實(shí)驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)了意料之外的現(xiàn)象,噴出的細(xì)水柱在空中不斷抖動(dòng),非常不穩(wěn)定.經(jīng)分析認(rèn)為,可能是直玻璃管4 mm的內(nèi)徑有點(diǎn)偏大了,導(dǎo)致冒出來(lái)的氣泡大而且不連續(xù),從而使噴嘴處的壓強(qiáng)變得不穩(wěn)定,噴出的細(xì)水柱發(fā)生了明顯抖動(dòng).由此,可以嘗試減小進(jìn)氣口的內(nèi)徑,來(lái)消除這種細(xì)水柱不穩(wěn)定的現(xiàn)象.

圖7

改進(jìn)4: 在直玻璃管管口加接一段內(nèi)徑為0.5 mm的點(diǎn)膠針頭作為進(jìn)氣口,連接方式同上(圖7).

采用改進(jìn)前后兩種不同進(jìn)氣口(玻璃管進(jìn)氣口與點(diǎn)膠針頭進(jìn)氣口)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較,圖8中能明顯觀察到點(diǎn)膠針頭中出來(lái)的氣泡更小更連續(xù).再次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),裝置中噴出的細(xì)水柱非常穩(wěn)定,如圖9所示.

圖8 圖9

2.2 描點(diǎn)坐標(biāo)裝置

(1) 底座.

本實(shí)驗(yàn)底座選用了J2154型平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)器的底座,保留了原底座上的兩根豎直金屬桿,該底座四角有調(diào)平螺栓,可調(diào)豎直和水平,用海綿膠將規(guī)格為30×40 cm的白板粘在兩豎直金屬桿上(圖10a為背面,b為正面).

圖10

圖11

(2) 坐標(biāo)紙.

由于本實(shí)驗(yàn)是用細(xì)水柱做平拋運(yùn)動(dòng)顯示軌跡,普通的坐標(biāo)紙容易濺到水后而損壞.因此,可采用工程制圖中常用的最小刻度為1 mm的半透明狀的硫酸坐標(biāo)紙(圖11).它對(duì)水的滲透具有較強(qiáng)的抵抗力.硫酸坐標(biāo)紙的規(guī)格有很多,可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求自行裁剪.

3 實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程

(1) 在玻璃瓶?jī)?nèi)裝入適量清水,用插有兩根玻璃管的橡膠塞塞住瓶口.然后讓兩玻璃管穿過(guò)鐵圈的狹縫,將玻璃瓶倒置于鐵架臺(tái)上(圖12).

圖12 操作步驟

(2) 用夾子將坐標(biāo)紙固定在白板上,讓重錘線通過(guò)坐標(biāo)紙上的坐標(biāo)原點(diǎn)O,然后用夾子將重錘線固定在坐標(biāo)紙上(圖13).

圖13 操作步驟

(3) 調(diào)整調(diào)平螺栓,使重錘線與坐標(biāo)紙的左側(cè)豎直線重合.確定左側(cè)豎直線為y軸,過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)O且與y軸垂直的水平線為x軸(圖14).

圖14 操作步驟

圖15 操作步驟

(4) 保持底座不動(dòng),移動(dòng)鐵架臺(tái),將出水口在坐標(biāo)紙上的水平投影點(diǎn)置于坐標(biāo)紙的原點(diǎn)O,并利用三角板使噴嘴口的切線方向與重錘線成直角.注意噴嘴不要貼在坐標(biāo)紙上,留出約0.5 cm的距離,盡量不讓水濺在坐標(biāo)紙上(圖15).

(5) 打開(kāi)止水夾,使水從噴嘴流出,待細(xì)水柱穩(wěn)定后用鉛筆沿著細(xì)水柱在坐標(biāo)紙上描下若干點(diǎn)(圖16).

圖16 操作步驟

注意:描點(diǎn)時(shí)視線要對(duì)準(zhǔn)細(xì)水柱且與白板垂直,在細(xì)水柱的正背面描點(diǎn);描點(diǎn)時(shí)鉛筆不能擋住細(xì)水柱;由于空氣阻力等因素,細(xì)水柱末端發(fā)散了,因此取離噴嘴口較近的一段曲線研究(圖17).

圖17 操作步驟

(6) 取下坐標(biāo)紙,剔除偏離拋物線較遠(yuǎn)的點(diǎn),用光滑曲線擬合其余的點(diǎn)(圖18).

圖18 操作步驟

4 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中,在細(xì)節(jié)上做了詳細(xì)的改進(jìn)和完善,使教材中參考案例2作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為精確.該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是夠提供直觀形象的平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡,并能方便地把軌跡描繪在坐標(biāo)紙上.其次在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)充分利用了生活中常見(jiàn)的資源,使實(shí)驗(yàn)情景更貼近學(xué)生生活,引導(dǎo)學(xué)生從生活走向物理,從物理走向生活.該實(shí)驗(yàn)還留下了很大的思考空間,比如可以讓學(xué)生探討,直玻璃管的進(jìn)氣口在液面以上能不能得到穩(wěn)定的細(xì)水柱;直玻璃管進(jìn)氣口在液面以下為什么會(huì)噴出穩(wěn)定的細(xì)水柱;理論上預(yù)言裝置工作時(shí)能噴出穩(wěn)定的細(xì)水柱,但在實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到的卻是不斷抖動(dòng)的細(xì)水柱,是壓強(qiáng)理論出現(xiàn)了問(wèn)題還是實(shí)驗(yàn)器材有缺陷等等.教師可以很自然地利用本實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)真實(shí)的探究情境,引導(dǎo)學(xué)生有效開(kāi)展真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)探究.通過(guò)創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)或者改進(jìn)已有實(shí)驗(yàn),不但使物理課堂“魔力十足”,更有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí).其次通過(guò)教師的身體力行,在潛移默化中增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)踐意識(shí).因此,基于教材實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)與創(chuàng)新,是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)有效途徑.

1 人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開(kāi)發(fā)中心.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)·物理·必修2(第3版)[M].北京:人民教育出版社,2010:13-15.

2017-05-12)