丁 松 鄭宏偉 方 晨

(江蘇省清江中學，江蘇 淮安 223001)

比較人教社2004年出版的物理必修2中“實驗：研究平拋運動”與2019年出版的物理必修第二冊中“實驗：探究平拋運動的特點”，[1-2]2019年版教材把平拋運動的實驗放在“拋體運動的規(guī)律”之前，突出了探究性實驗的重要性。2019年版教材中實驗強調(diào)的是“探究”，2004年版教材實驗突出的是“驗證”。《普通高中物理課程標準(2017年版)》將“探究平拋運動的特點”定為學生必做實驗之一。本教學設(shè)計兼顧了新教材中探究的實驗目的和舊教材中驗證平拋運動軌跡為拋物線的實驗目的。

1 實驗方案設(shè)計創(chuàng)新

1.1 實驗器材和軟件

“自編軟件”(自動獲取運動物體的軌跡及相關(guān)坐標)、實心球、電腦、智能手機以及支架(拍攝視頻用)、希沃授課助手(學生數(shù)據(jù)處理的實時投屏)等。

利用自編軟件可獲取生活中的拋體運動的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后學生可自主得出結(jié)論：平拋物體在水平方向上做勻速直線運動，在豎直方向上做自由落體運動，且可求出重力加速度g。用實驗同時探究出了平拋運動在水平方向上和豎直方向上的規(guī)律，這一點比教材上設(shè)計的相關(guān)實驗方案更優(yōu)越。

1.2 實驗操作步驟

① 將里面注滿沙子的網(wǎng)球從離地面高度約為1.5米的桌邊(桌面事先已經(jīng)用水平儀調(diào)節(jié)水平)水平拋出，利用手機的攝像功能記錄這一運動過程(圖1)。

圖1

② 然后對這段視頻進行處理，每隔相等的時間截取1幀畫面，共30幀，并導入自編軟件進行處理，通過調(diào)節(jié)，使實際小球的運動軌跡與軟件中的模擬小球運動軌幀跡重合、步調(diào)一致。

③ 點開軟件中的“坐標紙功能”，就可以實時讀出每一幀圖片中小球的坐標。如圖2所示，為每隔2幀讀取一次小球的坐標，因為視頻為每秒30幀，所以是每隔Δt=0.1 s 讀取一次小球的坐標。

圖2

1.3 實驗誤差分析

① 模擬曲線與實際平拋運動曲線無法完全重合且同步，所以在模擬運動過程中，總會有誤差。例如，同一個平拋運動，經(jīng)過幾次的模擬，同一個點的坐標會略有不同。

② 在相機拍攝的每一幀圖片中，小球的圖像由于延時曝光形成了輕微的拖影，會影響坐標的精確性。

③ 拍攝的視頻由于視角問題，導致手機鏡頭不可能在小球的整個運動過程始終與小球相平行，會導致小球的實際運動和視頻中小球的運動略有差別。

2 實驗數(shù)據(jù)處理創(chuàng)新

將“數(shù)據(jù)計算”交給平板電腦，將“創(chuàng)造性的勞動——實驗方案設(shè)計以及實驗器材操作”交給學生，然后觀察表格中灰色區(qū)域的數(shù)據(jù)，從而總結(jié)平拋運動的規(guī)律。

表1說明：視頻已經(jīng)轉(zhuǎn)換成30幀，每隔2幀(間隔為0.1 s)取一個坐標，從中可以發(fā)現(xiàn)：相同時間內(nèi)水平位移相同，相鄰相同時間內(nèi)豎直位移之差為定值。根據(jù)時間間隔可很容易求出水平速度和豎直方向上的加速度g。

表1 利用軟件處理平拋運動相關(guān)數(shù)據(jù)(驗證水平、豎直方向上的運動特點)

表2說明：由于初速度相同的平拋運動和拋物線都具有對稱性(圖3)。我們假設(shè)拋出點為拋物線的頂點，所以我們只要驗證坐標都滿足：y=kx2。從y與x2的圖像(圖4)可以看出，y與x2成正比，即軌跡為拋物線。

表2 平拋運動相關(guān)數(shù)據(jù)處理(驗證軌跡是否為拋物線)

圖3

圖4

3 小結(jié)

筆者研讀新課標，對新教材和舊教材進行比較，獲取各自的長處，引導學生深度學習，設(shè)計實驗研究平拋運動的規(guī)律，培養(yǎng)學生科學探究能力，促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

美國卡布里洛大學道格拉斯·布朗教授開發(fā)的Tracker軟件是OPS項目中的一個很重要的開源軟件。該軟件突破了以往視頻只能播放不能分析的限制,它可以自動跟蹤視頻中的特定目標,捕捉其位置、速度和加速度等數(shù)據(jù),并內(nèi)置了統(tǒng)計及擬合等相關(guān)數(shù)據(jù)分析功能,很多物理專業(yè)期刊介紹了此軟件的優(yōu)點。[3-5]在這里主要談談自編軟件相對于Tracker軟件在使用中所具有的優(yōu)勢。

(1)誤差對比：如果自編程序軟件導入的視頻中物體的實際運動軌跡和模擬小球的軌跡完全重合，并且所有的數(shù)據(jù)計算盡量精確，那么此實驗幾乎沒有誤差。自編程序軟件抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，使實驗更直觀、更精確。但是使用Tracker軟件時，誤差來源很多，不容易控制。

(2)筆者自編軟件的界面交互性比Tracker軟件更簡潔明了。使用者可以編輯自己需要的數(shù)據(jù)，把不需要的數(shù)據(jù)去掉。例如本實驗中只需要物體的某一位置的坐標(x,y)，其他的數(shù)據(jù)都可以隱去，讓界面簡潔明了。

(3)使用自編軟件核心程序的注意點：真實視頻的播放和自編程序軟件中的模擬動畫播放的幀數(shù)必須為每秒30幀。