劉慧娟 馬曉光

(魯東大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 山東 煙臺 264025)

我國在2010年7月制定了《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010-2020年)》，綱要提出，要求“著力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，教育學(xué)生學(xué)會動手動腦”“注重學(xué)思結(jié)合，倡導(dǎo)參與式教學(xué)，幫助學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí).激發(fā)學(xué)生的好奇心，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和愛好，營造獨(dú)立思考、自由探索、勇于創(chuàng)新的良好環(huán)境”[1].2017年教育部制定的《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出“實(shí)驗(yàn)是高中物理學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要途徑和方式”“要求通過實(shí)驗(yàn)，探究并認(rèn)識平拋運(yùn)動的規(guī)律；會用運(yùn)動合成與分解的方法分析平拋運(yùn)動；體會將復(fù)雜運(yùn)動分解為簡單運(yùn)動的物理思想”[2].因此,通過實(shí)驗(yàn)探究平拋運(yùn)動規(guī)律的過程尤其重要，自制教具在此起到重要作用.

1 問題提出

在物體只受重力的情況下，以一定初速度水平拋出，這時物體所做的運(yùn)動稱為平拋運(yùn)動.學(xué)生在學(xué)習(xí)平拋運(yùn)動之前學(xué)習(xí)過一維的直線運(yùn)動，而平拋運(yùn)動是二維的曲線運(yùn)動，這增加了學(xué)生理解平拋運(yùn)動的難度，縱覽教材不難看出，幫助學(xué)生直觀地理解平拋運(yùn)動、掌握其運(yùn)動規(guī)律是學(xué)習(xí)曲線運(yùn)動的重中之重.

1.1 教材中平拋運(yùn)動演示裝置

人教版《物理·必修2》第五章第3節(jié)“參考案例”中提供的演示裝置如圖1所示[3].其中圖1(a)實(shí)驗(yàn)裝置有明顯不足之處，一是整個實(shí)驗(yàn)過程所用時間很短，用肉眼很難觀察到小球的運(yùn)動，只能通過兩小球的落地聲判斷其是否同時落地.但是人耳能分辨出兩個聲音的時間間隔約為0.1 s，理由不充分.二是此裝置無法描繪小球做平拋運(yùn)動的運(yùn)動軌跡，不能直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前.圖1(b)可以通過描跡法描繪運(yùn)動軌跡，但是無法與自由落體運(yùn)動和勻速直線運(yùn)動進(jìn)行對比，現(xiàn)象不直觀.

(a)

1.2 現(xiàn)有平拋運(yùn)動演示裝置

在與自制教具相關(guān)的課程中了解到，目前平拋運(yùn)動教具所用開關(guān)為電磁鐵.查閱相關(guān)資料得知，教學(xué)中常用的演示平拋運(yùn)動水平和豎直方向運(yùn)動的教具如圖2所示[4].

圖2 平拋運(yùn)動演示儀J2154

該演示裝置存在以下缺點(diǎn)：(1)該演示儀是通過電磁鐵控制小球同時運(yùn)動的，眾所周知，電磁鐵由導(dǎo)線纏繞而成，對電源損害過大，易發(fā)生危險(xiǎn)；(2)該裝置依然不能直觀描繪平拋運(yùn)動的運(yùn)動軌跡，小球是否同時運(yùn)動依然需要依靠肉眼直接觀看或者耳朵聽聲音來判斷.

2 自制教具裝置描述

針對上述問題，筆者利用生活中的各種零部件自制了平拋運(yùn)動演示裝置.如圖3所示，本教具的組成部分主要由木板、軌道、聯(lián)動擋板、扭轉(zhuǎn)彈簧、磁性小球、磁性畫板、觸碰開關(guān)、燈泡、導(dǎo)線和供電電源組成.

(a)

2.1 導(dǎo)軌

如圖3(a)所示，導(dǎo)軌由20 mm壓線槽蓋制作而成，壓線槽蓋具有很強(qiáng)的可塑性，直徑為20 mm的磁性小球在導(dǎo)軌上滾動時的摩擦力很小，可忽略不計(jì).制作導(dǎo)軌時，要保證導(dǎo)軌傾斜部分傾斜角度相同，末端圈出位置要水平，彎曲位置處在同一水平面內(nèi).

2.2 聯(lián)動擋板開關(guān)

如圖3所示，聯(lián)動擋板由家用細(xì)PVC水管及其配件組成.抬高擋板，球1和球2同時下落，兩小球到達(dá)水平軌道的豎直高度相同，從而實(shí)現(xiàn)平拋運(yùn)動和勻速直線運(yùn)動同時發(fā)生，并且保證了二者初速度相等.

2.3 扭轉(zhuǎn)彈簧開關(guān)

如圖4所示，球1運(yùn)動到軌道末端時觸碰扭轉(zhuǎn)彈簧，此時彈簧轉(zhuǎn)動，球3自由下落，與此同時球1做平拋運(yùn)動，在下落之前兩小球在同一水平面內(nèi)，從而保證兩球下落高度相同.最關(guān)鍵的一點(diǎn)是，實(shí)現(xiàn)了平拋運(yùn)動和自由落體運(yùn)動同時發(fā)生.

圖4 扭轉(zhuǎn)彈簧開關(guān)

2.4 磁性畫板

磁性畫板是兒童涂鴉所用的磁性板，因此磁性小球的運(yùn)動軌跡可以在上面顯示出來，可反復(fù)利用.

2.5 觸碰開關(guān)和燈泡

如圖3所示，觸碰開關(guān)為中學(xué)物理電學(xué)實(shí)驗(yàn)中最常見的一種開關(guān)，便宜且容易獲取.裝置中3個小球下落位置處分別有3個開關(guān)，3個開關(guān)分別控制3個燈泡，小球落下時，與之相對應(yīng)的燈泡發(fā)光.如果燈泡同時亮起，則說明對應(yīng)小球同時落地.由于人眼能分辨出兩個畫面的時間間隔約為0.04 s，把“聽”轉(zhuǎn)換成“看”，變得方便準(zhǔn)確.燈泡為“5 V，3 W”直流LED燈，配上USB接頭后，供電電源可選擇手機(jī)充電器、充電寶等，便于攜帶.

3 實(shí)驗(yàn)演示

3.1 演示平拋運(yùn)動的水平分運(yùn)動

利用聯(lián)動擋板，控制平拋運(yùn)動和勻速直線運(yùn)動同時發(fā)生，做平拋運(yùn)動的小球運(yùn)動軌跡由磁性畫板記錄.具體操作步驟如下.

(1)如圖5所示，接通電源，抬高擋板，球1和球2同時下落，運(yùn)動到軌道末端時，球1以一定初速度水平拋出，在忽略空氣阻力的情況下，球1只受重力作用，因此做平拋運(yùn)動，同時球2做勻速直線運(yùn)動.球1和球3到達(dá)水平軌道的豎直高度相同，從而保證球1平拋運(yùn)動的初速度等于球3勻速直線運(yùn)動的初速度.

(2)在如圖5所示的裝置中，使球1做平拋運(yùn)動，與此同時磁性畫板描繪其運(yùn)動軌跡，球2做勻速直線運(yùn)動.

圖5 研究平拋運(yùn)動的水平分運(yùn)動

(3)球1落下，球2滾動到觸碰開關(guān)位置，兩球同時觸碰與之對應(yīng)的開關(guān)，使之閉合，可以觀察到1號和2號燈泡同時發(fā)光.

通過燈泡同時亮起這一明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得出，做平拋運(yùn)動的球1和做勻速直線運(yùn)動的球2相同時間內(nèi)的水平位移相同，我們知道合運(yùn)動與分運(yùn)動具有同時性，于是便可以得出平拋運(yùn)動水平方向的分運(yùn)動是勻速直線運(yùn)動.

3.2 演示平拋運(yùn)動的豎直分運(yùn)動

對于平拋運(yùn)動的豎直分運(yùn)動，同平拋運(yùn)動的水平分運(yùn)動類似，不同之處是豎直分運(yùn)動通過扭轉(zhuǎn)彈簧來控制平拋運(yùn)動和自由落體運(yùn)動在同一高度同時發(fā)生.具體操作步驟如下.

(1)接通電源，抬高擋板，球1下落，當(dāng)此球運(yùn)動到水平軌道末端時，觸碰扭轉(zhuǎn)彈簧，此時彈簧轉(zhuǎn)動，與它在同一水平高度的球3自由下落，在忽略阻力的情況下，球1將做平拋運(yùn)動，球3做自由落體運(yùn)動.

(2)如圖6所示，球1做平拋運(yùn)動，與此同時磁性畫板描繪其運(yùn)動軌跡，球3做自由落體運(yùn)動.

圖6 研究平拋運(yùn)動的豎直分運(yùn)動

(3)球1和球3同時落下，同時觸碰開關(guān)，與之對應(yīng)的1號和3號燈泡同時發(fā)光.

同樣的，通過燈泡同時亮起這一明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以得出，做平拋運(yùn)動的球1和做自由落體運(yùn)動的球3同時落地，二者在相同時間內(nèi)的豎直位移相同，于是便可以得出平拋運(yùn)動豎直方向的分運(yùn)動是自由落體運(yùn)動.

在整個實(shí)驗(yàn)過程中，可以明顯看到在磁性畫板上呈現(xiàn)的平拋運(yùn)動的運(yùn)動軌跡是一條拋物線，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀明了.做實(shí)驗(yàn)時還可以錄制視頻，之后將其播放速度調(diào)慢，很明顯地觀察到球1做平拋運(yùn)動水平方向的分運(yùn)動和球2做勻速直線運(yùn)動具有等時性，球1豎直方向的分運(yùn)動和球3做自由落體運(yùn)動具有等時性，實(shí)驗(yàn)效果顯而易見.

4 優(yōu)點(diǎn)和不足

4.1 優(yōu)點(diǎn)

(1)通過聯(lián)動擋板開關(guān)和扭轉(zhuǎn)彈簧開關(guān)，舍棄了電磁繼電器，使得操作更加簡單，實(shí)驗(yàn)過程安全可靠.

(2)以往要描繪運(yùn)動軌跡需要多次實(shí)驗(yàn)確定幾個點(diǎn)，操作繁瑣耗時長，本教具中用磁性畫板描繪運(yùn)動軌跡，直觀明了.

(3)使用生活中日常所見的材料制作教具，簡單易得、價(jià)格便宜，使學(xué)生真正體會到“瓶瓶罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”的思想，并且該裝置經(jīng)久耐用.

4.2 不足

小球體積大，磁性畫板的分辨率不高，因此在磁性畫板上描繪的軌跡較粗.