(1. 河北省滄州市教育局，河北 滄州 061001；2. 河北省華北油田第三中學(xué)，河北 任丘 062552；3. 北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

1 引言

平拋運(yùn)動(dòng)是人教版高中物理必修2第五章第二、三節(jié)內(nèi)容,拋體運(yùn)動(dòng)是自然界中常見的運(yùn)動(dòng)形式，平拋運(yùn)動(dòng)是拋體運(yùn)動(dòng)的一個(gè)特例。課本針對(duì)探究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)，提供了3個(gè)參考方案。

(1) 利用描繪小球平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡實(shí)驗(yàn)裝置，用鉛筆試探描出小球經(jīng)過的位置，用平滑曲線畫出小球運(yùn)動(dòng)的軌跡。但是用這種方法描繪小球位置時(shí)誤差較大，需要多次嘗試才能較準(zhǔn)確地確定。

(2) 利用水平噴出的水柱,對(duì)于細(xì)水柱的觀察要及時(shí)，不容易記錄，還有學(xué)生從不同角度觀察，會(huì)影響效果。水剛噴出時(shí)，水柱連續(xù)而且比較細(xì)，最后逐漸變粗又逐漸變成水珠，另外由于空氣阻力的作用，水柱的軌跡會(huì)逐漸偏離平拋曲線，在取點(diǎn)時(shí)一定要取離出口近的點(diǎn)。

(3) 利用數(shù)碼照相機(jī)或數(shù)碼攝像機(jī)記錄小球的位置。

針對(duì)這些方案，結(jié)合我校的實(shí)驗(yàn)配置，筆者對(duì)原有實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)，描繪出了平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡，并且定量驗(yàn)證了平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。筆者還利用基于DIS(數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng))的朗威DISLab魔板，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步探究平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，展示了現(xiàn)代信息技術(shù)的魅力，深化了學(xué)生對(duì)物理規(guī)律的理解。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

(1) 用描跡法畫出小球平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡(如圖1)；

圖1

我?，F(xiàn)有的儀器是按照這個(gè)方案配備的，利用實(shí)驗(yàn)室的斜面小槽等器材讓小球從斜面上同一點(diǎn)滾下做平拋運(yùn)動(dòng)。如果小球每次都能碰到筆尖，就說明找對(duì)位置了，用鉛筆描出小球的位置，用平滑的曲線連起來就得到平拋運(yùn)動(dòng)軌跡。該實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是在實(shí)際操作過程發(fā)現(xiàn)用筆尖找位置方法簡(jiǎn)單，但不足之處有：筆尖易斷,小球容易落空,實(shí)際操作不簡(jiǎn)便。

通過認(rèn)真思考，并與其他實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：使小球撞到帶有復(fù)寫紙的白紙上，以上問題就迎刃而解。沿著這個(gè)思路筆者一直思索、反復(fù)嘗試，最后改進(jìn)成了“平拋運(yùn)動(dòng)演示儀器”，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在白紙上打出的點(diǎn)特別清晰，如果每次移動(dòng)的距離足夠短，打出的點(diǎn)足夠多，就能夠很清楚地看到白紙上的拋物線，非常直觀，在此基礎(chǔ)上引入與上述實(shí)驗(yàn)改進(jìn)有異曲同工之效的DIS實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程

實(shí)驗(yàn)器材有：平拋運(yùn)動(dòng)演示儀、小鋼球、鐵架臺(tái)、帶夾子的木板、復(fù)寫紙、A4紙、DIS及其配套的朗威DISLab魔板等。

(1) 引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

圖2

圖3

讓同學(xué)們根據(jù)這個(gè)題目，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠直接在白紙上打點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過程如下：

① 仿照例題劃線控制白板移動(dòng)位置，有同學(xué)提出可利用坐標(biāo)紙進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

② 有同學(xué)發(fā)現(xiàn)按照例題中移動(dòng)白板，相當(dāng)于沿著坐標(biāo)紙的方格對(duì)角線移動(dòng)，于是在坐標(biāo)紙上畫出了一條對(duì)角線(如圖4)。

圖4

③ 既然想到了讓白板沿著對(duì)角線移動(dòng)，那我們可以附上一木條，在白板上固定一個(gè)夾子，讓標(biāo)志物沿著木條移動(dòng)即可(如圖5)。

圖5

(2) 引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

利用學(xué)生設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，步驟如下：

① 調(diào)整儀器，讓斜槽末端水平，保證小球離開斜槽后做平拋運(yùn)動(dòng)；

② 讓白板貼著斜槽末端，利用邊緣的重錘保證白板處于豎直狀態(tài)，讓小球從一定高度滾下，小球直接打到帶著復(fù)寫紙的白紙上，記錄下小球的平拋起點(diǎn)；白板上的夾子貼著木條，往后移動(dòng)一小段距離，讓小球從相同高度滾下，再次打下一個(gè)點(diǎn)；

③ 重復(fù)上述操作，當(dāng)移動(dòng)的距離足夠小時(shí)，就能在白紙上打下密集的點(diǎn)痕。觀察小球的落痕，可看出小球的運(yùn)動(dòng)軌跡非常接近拋物線。

④ 利用打出的點(diǎn)跡，建立坐標(biāo)系，量出各點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)x、y，根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，計(jì)算出平拋運(yùn)動(dòng)的初速度v0。

(3) 基于DIS的“研究平拋運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)

利用朗威DISLab魔板(電磁定位系統(tǒng))，可自動(dòng)記錄質(zhì)點(diǎn)的位置，大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過程，清晰直觀地呈現(xiàn)出質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的軌跡，達(dá)到本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。如圖6所示，朗威 DISLab魔板(電磁定位系統(tǒng))的部件為：① 電磁定位板、② 彈射器、③ 信號(hào)源、④ 接球底槽、⑤ 接球豎槽、⑥ 支架及緊固件構(gòu)成。在實(shí)驗(yàn)中搭建好實(shí)驗(yàn)裝置，調(diào)節(jié)彈射器水平，使其卡槽與電磁定位板的上邊沿平行。打開魔板專用軟件包，選擇“平拋運(yùn)動(dòng)”。打開信號(hào)源電源開關(guān)，將信號(hào)源置于彈射器卡槽內(nèi)，先點(diǎn)擊 “零點(diǎn)設(shè)置”，再點(diǎn)擊“開始記錄”，按下彈射器開關(guān)，軟件自動(dòng)記錄信號(hào)源的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡(如圖7)。

圖6

圖7

點(diǎn)擊系統(tǒng)軟件中的“X”“Y”，自動(dòng)標(biāo)注數(shù)據(jù)點(diǎn)在X軸和Y軸的投影；點(diǎn)擊 “二次擬合”，學(xué)生即會(huì)發(fā)現(xiàn)平拋運(yùn)動(dòng)軌跡符合二次函數(shù)關(guān)系。點(diǎn)擊 “加速度”，軟件自動(dòng)繪制信號(hào)源在水平方向和豎直方向上分運(yùn)動(dòng)的v-t圖，得出水平方向的運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng)，并計(jì)算出豎直方向上的加速度(如圖8)。

圖8

利用DIS進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，自動(dòng)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可提高數(shù)據(jù)采集精度。讓學(xué)生深刻體會(huì)到信息技術(shù)的先進(jìn)性以及科學(xué)的魅力。實(shí)驗(yàn)中用到的電磁定位系統(tǒng)，能夠自動(dòng)記錄并采集質(zhì)點(diǎn)經(jīng)過的每一個(gè)位置的瞬時(shí)速度和時(shí)間，還能方便計(jì)算出平拋的水平距離，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率。