孫 策

(慈溪市慈中書(shū)院 浙江 寧波 315300)

“實(shí)驗(yàn):研究平拋運(yùn)動(dòng)”這節(jié)課旨在借助實(shí)驗(yàn)從定量角度對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)做進(jìn)一步研究，幫助學(xué)生建立起理論推導(dǎo)與物理現(xiàn)實(shí)之間的聯(lián)系.因此，教材為學(xué)生提供了3種定量研究平拋運(yùn)動(dòng)的參考案例[1]，絕大多數(shù)教師只重點(diǎn)講了參考案例一，還有些教師會(huì)對(duì)后面兩個(gè)參考案例做一些簡(jiǎn)略的介紹.雖然知道參考案例一后，學(xué)生完成一些題目基本不成問(wèn)題了，但是卻不利于學(xué)生的動(dòng)手操作能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力以及創(chuàng)新能力等方面的提高.物理實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)是中學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分，物理教學(xué)的本源就是實(shí)驗(yàn)教學(xué).高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了相關(guān)要求[2].(1)傳統(tǒng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)：教師應(yīng)積極開(kāi)發(fā)適合教學(xué)的實(shí)驗(yàn)資源，并充分利用這些實(shí)驗(yàn)資源開(kāi)展實(shí)驗(yàn)；(2)低成本實(shí)驗(yàn)：提倡使用身邊隨手可得的普通物品或工具來(lái)設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)；(3)設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)：鼓勵(lì)教師設(shè)計(jì)感知體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生形成概念或規(guī)律.因此，一旦有機(jī)會(huì)可以有多種方案來(lái)研究同一個(gè)物理規(guī)律時(shí)，我們絕對(duì)不能輕易放過(guò)，至少應(yīng)該再去深入研究一種方案，以開(kāi)闊學(xué)生的眼界，發(fā)展學(xué)生的思維.其實(shí)參考案例二水柱法研究平拋運(yùn)動(dòng)是一個(gè)絕佳的案例，只要教師自己能親自動(dòng)手搜集相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材，認(rèn)真設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)，從該參考案例的引入、改進(jìn)、完善,最后動(dòng)手操作，一步步帶領(lǐng)學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，不斷提出改進(jìn)方案，和學(xué)生一起體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探究中的酸甜苦辣,這樣的一堂課下來(lái)，相信學(xué)生定會(huì)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生濃厚的興趣和滿(mǎn)滿(mǎn)的愛(ài)意.基于以上原因，筆者以教材中的參考案例二為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了“水柱法研究平拋運(yùn)動(dòng)”的教學(xué)案例.

1 教材分析

本節(jié)課是在前一節(jié)“平拋運(yùn)動(dòng)”的基礎(chǔ)上，借助實(shí)驗(yàn)對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的進(jìn)一步探究.教材首先提出了如何判斷平拋物體的運(yùn)動(dòng)軌跡是否為拋物線(xiàn)，如何計(jì)算平拋物體的初速度，并給出了3種得到平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)驗(yàn)方案.本教學(xué)設(shè)計(jì)以教材中的參考案例二為基礎(chǔ)，用水柱法來(lái)研究平拋運(yùn)動(dòng).

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識(shí)與技能

(1)會(huì)用水柱法實(shí)驗(yàn)獲得平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡；

(2)會(huì)判斷運(yùn)動(dòng)軌跡是否為拋物線(xiàn)；

(3)會(huì)推導(dǎo)平拋初速度的表達(dá)式，會(huì)計(jì)算平拋運(yùn)動(dòng)的初速度.

2.2 過(guò)程與方法

(1)通過(guò)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，體會(huì)物理問(wèn)題的探究思想和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想，了解設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的基本方法；

(2)通過(guò)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，體驗(yàn)科學(xué)研究的一般方法.

2.3 情感態(tài)度與價(jià)值觀(guān)

(1)使學(xué)生認(rèn)識(shí)到生活中處處有物理現(xiàn)象，物理與生活息息相關(guān),增加學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的親切感,激發(fā)他們學(xué)習(xí)物理的興趣；

(2)通過(guò)提供實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，親身感受物理實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣.

3 教學(xué)過(guò)程

3.1 確定描繪平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的方法

師:上節(jié)課我們學(xué)習(xí)了平拋運(yùn)動(dòng)，那么平拋運(yùn)動(dòng)有什么特點(diǎn)？

生甲：水平方向上做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng).

生乙：運(yùn)動(dòng)軌跡是一條拋物線(xiàn).

師：在忽略空氣阻力的情況下，生活中有哪些常見(jiàn)的平拋運(yùn)動(dòng)呢？請(qǐng)同學(xué)們舉例說(shuō)明.

學(xué)生舉例：擲飛鏢比賽、憤怒的小鳥(niǎo)真人版.

師：這節(jié)課我們就要利用學(xué)過(guò)的平拋運(yùn)動(dòng)的理論知識(shí)，通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)定量研究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn).但是平拋運(yùn)動(dòng)在空中轉(zhuǎn)瞬即逝，優(yōu)美的曲線(xiàn)隨即成為歷史，沒(méi)有留下什么具體的可供操作的東西，若要詳盡研究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，必須先得到其運(yùn)動(dòng)軌跡. 我們?nèi)绾蔚玫狡綊佄矬w的運(yùn)動(dòng)軌跡？

生：記錄下做平拋運(yùn)動(dòng)的物體經(jīng)過(guò)的位置，然后把這些位置用光滑的曲線(xiàn)連起來(lái)，就得到平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡了.

師：由于飛鏢或者小鳥(niǎo)的運(yùn)動(dòng)軌跡轉(zhuǎn)瞬即逝，要記錄不同時(shí)刻物體的位置存在較大的困難.那還有什么生活中的例子，它能更加直觀(guān)地顯示平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，使描跡變得容易.

生：用液體代替固體做平拋運(yùn)動(dòng).

師：由于水具有流動(dòng)性和連續(xù)性的特點(diǎn)，能在空中直觀(guān)地顯示出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，因此可以在連續(xù)流動(dòng)的液體上“描跡”.

3.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.2.1 獲得持續(xù)做平拋運(yùn)動(dòng)的細(xì)水柱

師：請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，用某種器材實(shí)現(xiàn)水做平拋運(yùn)動(dòng)，最好是生活中常見(jiàn)的物品，這樣方便取材.下面請(qǐng)同學(xué)們分組討論，一會(huì)兒請(qǐng)同學(xué)匯報(bào)討論結(jié)果.

生：飲料瓶底端處扎個(gè)小孔.

實(shí)驗(yàn)1：先在飲料瓶里裝好紅墨水并擰緊瓶蓋，然后將其放在升降臺(tái)上(圖1)，用加熱好的電烙鐵在瓶上扎一小孔，發(fā)現(xiàn)剛開(kāi)始有水噴出，但很快水又停止流出.由于該實(shí)驗(yàn)噴出細(xì)水柱的時(shí)間很短，可再用視頻慢鏡頭播放一遍.

師：瓶子里明明還有很多水，為什么不再流出來(lái)了呢？楊振寧說(shuō)過(guò)，現(xiàn)象是物理學(xué)的根源．我們應(yīng)該重視對(duì)物理現(xiàn)象的研究.而現(xiàn)在就有一個(gè)源于生活的原汁原味的物理現(xiàn)象呈現(xiàn)在我們面前，我們就要抓住機(jī)會(huì)，進(jìn)行深入的研究.同學(xué)們想想看，水是否流出來(lái)，關(guān)鍵原因是什么？

圖1 飲料瓶裝置

生：小孔內(nèi)外的壓強(qiáng).

圖2 壓強(qiáng)模型

師：原始物理問(wèn)題抽象成液體壓強(qiáng)模型(圖2).假設(shè)瓶?jī)?nèi)氣壓為p內(nèi)，底端出水口B處的壓強(qiáng)為pB，大氣壓強(qiáng)p0,則底部壓強(qiáng)pB=p內(nèi)+ρgh.由于瓶蓋是裝好水后擰上的，瓶?jī)?nèi)空氣的壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)p0.因此出水口B處的壓強(qiáng)大于大氣壓強(qiáng)p0,則B孔出水.

師：那為什么很快又不出水了呢？

生：隨著B(niǎo)孔出水，氣體體積增大，瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)減小，液面距B孔的距離h減小， 直到pB=p內(nèi)+ρgh=p0，則B孔停止出水.

師：該實(shí)驗(yàn)不能獲得持續(xù)噴出的細(xì)水柱，就無(wú)法描繪平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，怎么實(shí)現(xiàn)從小孔中持續(xù)噴出細(xì)水柱呢？

實(shí)驗(yàn)2：用加熱好的電烙鐵在瓶蓋上再扎一小孔，細(xì)水柱從小孔B處持續(xù)噴出.然后用海綿膠封住瓶蓋上的小孔，水又停止流出.

師：討論下這次實(shí)驗(yàn)成功的原因是什么？

生：瓶?jī)?nèi)氣體壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)p0,pB=p0+ρgh，pB始終大于p0，則B孔持續(xù)出水.

3.2.2 獲得持續(xù)且穩(wěn)定做平拋運(yùn)動(dòng)的細(xì)水柱

師：要描繪細(xì)水柱平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，需要什么樣的細(xì)水柱.

生：持續(xù)且穩(wěn)定噴出的細(xì)水柱，否則描的點(diǎn)不是同一條軌跡上的.

師：現(xiàn)在這個(gè)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，能?chē)姵龀掷m(xù)且穩(wěn)定的細(xì)水柱嗎？

實(shí)驗(yàn)3：撕掉剛才瓶蓋上的海綿膠，再次觀(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，細(xì)水柱平拋的水平距離變小了，軌跡并不是一條穩(wěn)定的拋物線(xiàn)(圖3).

圖3 飲料瓶裝置

師：為什么細(xì)水柱的軌跡發(fā)生了變化.

生：底端小孔B處的壓強(qiáng)隨著液面的下降在不斷減小.

圖4 玻璃瓶裝置

師：如何獲取持續(xù)且穩(wěn)定噴出的細(xì)水柱？下面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的改進(jìn)(圖4).

師：改進(jìn)后的玻璃瓶裝置能?chē)姵龀掷m(xù)且穩(wěn)定的細(xì)水柱嗎？

生：隨著液面的下降，噴嘴處的壓強(qiáng)減小，是不穩(wěn)定的細(xì)水柱.

師：該裝置的液面高度變化會(huì)影響到噴嘴處的壓強(qiáng).那該如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？請(qǐng)同學(xué)們相互討論一下.

生：把直玻璃管上端浸入液面以下.

師：圖5中，直玻璃管A管口與大氣相通，壓強(qiáng)為大氣壓強(qiáng)，兩管口高度差h不隨液面高度的變化而變化，因此B處能?chē)姵龀掷m(xù)且穩(wěn)定的細(xì)水柱.

圖5 細(xì)水柱發(fā)生裝置

3.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案 完善實(shí)驗(yàn)方案

3.3.1 觀(guān)察細(xì)水柱發(fā)生裝置的實(shí)際工作情況

教師實(shí)物投影展示細(xì)水柱發(fā)生裝置(圖6)，并做儀器的介紹.為了控制水流，在直玻璃管豎直端加接了一段乳膠管，并用止水夾夾住.

圖6 細(xì)水柱發(fā)生裝置實(shí)物

實(shí)驗(yàn)4：教師演示實(shí)驗(yàn)，可看到噴出的細(xì)水柱在空中不斷抖動(dòng)，非常不穩(wěn)定(圖7).

圖7 不穩(wěn)定的細(xì)水柱

3.3.2 改進(jìn)細(xì)水柱發(fā)生裝置

師：關(guān)于壓強(qiáng)的理論有問(wèn)題？還是實(shí)驗(yàn)器材存在缺陷？同學(xué)們接著討論.

生：從直玻璃管管口出來(lái)的氣泡還不夠連續(xù)，導(dǎo)致管口的壓強(qiáng)不穩(wěn)定，從而使噴嘴處的壓強(qiáng)發(fā)生了變化，噴出了抖動(dòng)的細(xì)水柱.

師：非常精彩的分析.玻璃管的內(nèi)徑為4 mm，還不夠細(xì)，導(dǎo)致出來(lái)的氣泡大而且不連續(xù).因此可以在直玻璃管管口加接一段內(nèi)徑為0.5 mm的鈍口針管作為進(jìn)氣口(圖8).

圖8 鈍口針管作為進(jìn)氣口

實(shí)驗(yàn)5：教師再次演示實(shí)驗(yàn)，比較裝置改進(jìn)前后進(jìn)氣口處氣泡的連續(xù)程度以及細(xì)水柱的穩(wěn)定情況(圖9).

圖9 裝置改進(jìn)前后比較

師：從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中能明顯觀(guān)察到鈍口針管中出來(lái)的氣泡更小更連續(xù)，噴出的細(xì)水柱持續(xù)且穩(wěn)定.

3.4 描點(diǎn)坐標(biāo)裝置

3.4.1 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10(a)為背面，(b)為正面.

圖10 底座

3.4.2 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.

圖11 半透明硫酸坐標(biāo)紙

3.5 分組實(shí)驗(yàn)及操作過(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(1)

(2)用夾子將坐標(biāo)紙固定在白板上，讓重錘線(xiàn)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(xiàn)固定在坐標(biāo)紙上(圖13).

圖13 操作步驟(2)

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

圖14 操作步驟(3)

(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(xiàn)方向與重錘線(xiàn)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).

圖15 操作步驟(4)

(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(5)

注意：描點(diǎn)時(shí)視線(xiàn)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(xiàn)研究(圖17).

圖17 描點(diǎn)展示

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

圖18 操作步驟(6)

3.6 數(shù)據(jù)處理

教師在展臺(tái)上展示幾組學(xué)生們描繪的平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，并提出以下兩個(gè)問(wèn)題：

(1)如何利用已經(jīng)描繪的軌跡圖來(lái)驗(yàn)證平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡是拋物線(xiàn)？

(2)計(jì)算平拋運(yùn)動(dòng)的初速度.

根據(jù)已經(jīng)描繪的平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，課外完成學(xué)案中表格(表1)的填寫(xiě)并得出相關(guān)結(jié)論.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄 查得當(dāng)?shù)豨=______m/s2

4 教學(xué)感想

探究性實(shí)驗(yàn)的功能不僅僅是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出規(guī)律，更重要的在于根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑鯓釉O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題、不斷完善實(shí)驗(yàn)，改變只注重物理知識(shí)和結(jié)論而忽視探究過(guò)程的教學(xué).在探究性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往由于沒(méi)有成熟的實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)理論知識(shí)設(shè)計(jì)的初步方案在具體的實(shí)踐中，往往在細(xì)節(jié)上會(huì)出現(xiàn)意想不到的問(wèn)題.比如說(shuō)，本實(shí)驗(yàn)中由于直玻璃管管口內(nèi)徑的因素，導(dǎo)致理論上應(yīng)該是噴出持續(xù)穩(wěn)定的細(xì)水柱，結(jié)果看到的卻是不斷抖動(dòng)的細(xì)水柱.這種與理論存在直接沖突的實(shí)際的物理現(xiàn)象是非常珍貴的.在解決這種問(wèn)題的過(guò)程中，一定能發(fā)展學(xué)生的觀(guān)察能力、質(zhì)疑能力、思考能力，以及嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)精神.如果哪天發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 “說(shuō)謊”了，那么學(xué)生就又有機(jī)會(huì)體驗(yàn)研究物理實(shí)驗(yàn)的樂(lè)趣了.

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)．北京：人民教育出版社，2010.13～15

2 中華人民共和國(guó)教育部．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))．北京：人民教育出版社，2003