对平抛运动实验的改进

湖南省汉寿县第一中学      王小平

物理学是一门以实验为基础的科学。实验教学既是物理知识教学的基础，也是物理课堂教学中提高课堂教学质量、实施素质教育的一种比较有效的手段和主要渠道。因为几乎所有的物理知识，包括物理概念、定律和理论，都是在实验的基础上建立起来的。只有让学生了解物理学的研究方法，培养严谨的实事求是的科学态度，才会对学生今后从事科学实验和技术革新打下坚实的基础。

一、此实验在教材中所处的地位与作用：

《平抛运动》是现行普通高中课程标准实验教科书《物理·必修2 》中第五章的内容，本节内容编排在《曲线运动》之后，它是一种最简单、最基本、最重要的曲线运动，是运动的合成与分解知识的第一次实际应用，同时也是理解和掌握其他复杂曲线运动的基础，是学生学习运动知识由直线到曲线的一个转折点。因此，平抛运动在高中物理教学中有着极其重要的地位，起到了承前启后的作用。而《研究平抛运动》这个实验，对于学生了解、掌握物体做平抛运动的轨迹；理解平抛运动的物理规律及分析、处理平抛运动的基本方法起着重要的作用。

二、实验原型及不足之处：

1、由人民教育出版社物理室编著，经全国中小学教材审定委员会2002年审查通过的全日制普通高级中学教课书《物理·必修》第一册，书后编排的学生实验中的第五个实验，研究平抛物体的运动（在教材的147页）。

此实验装置如图所示，

    实验时使小球由斜槽的某一固定位置自由滑下，并由0点开始做平抛运动．先用眼睛粗略地确定做平抛运动的小球在某一x值处（如x=1 cm）的y值．然后使小球从开始时的位置滚下，在粗略确定的位置附近，用铅笔较准确地确定小球通过的位置，并在坐标纸上记下这一点．以后依次改变x值，用同样的方法确定其他各点的位置．

不足之处：

由于平抛运动的时间很短，学生的注意力往往很难对一个运动物体的精确位置进行观察，从而导致位置观察不准，由此而得到的运动轨迹也不准。

2、由人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心编著，经全国中小学教材审定委员会2004年初审通过的普通高中课程标准实验教科书《物理·必修2 》中的第五章，第三节实验：研究平抛运动。书中介绍了描绘平抛物体运动轨迹的三种参考案例：

参考案例一：

    利用实验室的斜面小槽等器材装配成如图所示的装置。钢球从斜槽上滚下，冲过水平槽飞出后做平抛运动。每次都使钢球在斜槽上同一位置滚下，钢球在空中做平抛运动的轨迹就是一定的。设法用铅笔描出小球经过的位置。通过多次实验，在竖直白纸上记录钢球所经过的多个位置，连起来就得到钢球做平抛运动的轨迹。

    可以把笔尖放在小球可能经过的位置，如果小球能够碰到笔尖，就说明位置找对了．

不足之处：

我们习惯把此方法叫做“小球碰撞笔尖法”，在确定小球经过某一点的位置时，必须经过多次反复的实验才能确定，这样不仅浪费时间，而且影响该实验的精确程度，并且对学生的学习兴趣有负面影响。

参考案例二：

    如图，倒置的饮料瓶内装着水，瓶塞内插着两根两端开口的细管，其中一根弯成水平，且水平端加接一段更细的硬管作为喷嘴。水从喷嘴中射出，在空中形成弯曲的细水柱，它显示了平抛运动的轨迹。设法把它描在背后的纸上就能进行分析处理了。

不足之处：

此案例看似简单、直观，我认为把此案例作为课堂演示实验，用于定性的说明平抛物体运动轨迹的形状，倒不失为一个好案例。但作为一个探究性实验欠妥，因为：其一，在课堂上喷水不太好控制；其二，由于空气阻力等的作用，轨迹会逐渐偏离平抛曲线；其三，我们的目的是要在白纸上描绘出平抛物体运动的轨迹形状，这样用喷水的方式，其轨迹如何描绘在白纸上？描绘的精确度如何？成为该案例能否成功的难点。

参考案例三：

    用数码照相机或数码摄像机记录平抛运动的轨迹。

    数码照相机大多具有摄像功能，每秒拍摄十几帧至几十帧照片。可以用它拍摄小球从水平桌面飞出后做平抛运动的几张连续照片。如果用数学课上画函数图象的方格黑板做背景，就可以根据照片上小球的位置在方格纸上画出小球的轨迹。

不足之处：

中学实验，讲究在方法的选择、过程的设置、器材的选取上，遵循一个简单、简洁、直观的原则。案例中使用的数码照相机或数码摄像机故然能使该实验相当精准，但恐怕失去了一个中学物理实验的初衷，当然案例三中提到的实验器材也不是每个学校（特别是广大的农村学校）都易于获得的，成本太高，不易推广。

结论：

由以上案例可以看出，这个看似简单的实验，要做好它至少解决两个方面的难点；

1、实验过程的直观性、真实性；

2、简单、快速、准确的描绘出平抛物体的运动轨迹。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

三、实验创新与改进之处：

为了更好地解决小球在做平抛运动的过程中，小球位置确定难、确定不准、运动轨迹显示不直观等问题。对平抛运动试验仪特作如下改进创新；

把普通的平抛运动试验仪的那块整背板改为一片一片的小合片，并在小合片的两端各安装一个小夹子，用于固定纸带；还在平抛运动试验仪上安装两把小钢尺，便于读数。

四、实验器材：

平抛运动实验仪、小钢球、白纸、纸带、复写纸、铅笔、刻度尺。

五、实验原理及装置说明：

1、实验原理；

平抛运动可分解为竖直方向的自由落体运动和水平方向的匀速直线运动。

竖直方向的位移；

    水平方向的位移；

2、装置说明：

实验装置如图所示，当小钢球从斜槽上滚下时，同时抬平试验仪上的一片小合片，小钢球冲过水平槽飞出后做平抛运动下落的过程中，碰撞到被抬平的那块小合片，由于小合片上固定有白纸，白纸上放有复写纸，于是就在白纸上留下了小钢球的位置，一次一次从同一位置释放小钢球，依次抬平试验仪上的小合片，就可以在这些小合片上得到许多表示小钢球位置的点，由此得到小钢球做平抛运动的轨迹。通过测量这些点迹的坐标，就可以判断平抛运动的轨迹是不是抛物线，并且计算出平抛物体的初速度。

六、实验过程：

1、调整实验仪器，

⑴ 观察重锤线，使实验仪器处于竖直状态。

⑵ 调整斜槽，使其底端处于水平状态。

⑶ 在每片小合片上固定好纸带，并在纸带上放复写纸。

2、让小钢球从斜槽上的某一位置滚下，同时抬平试验仪上的第一片小合片，小钢球与第一片小合片相碰撞，于是就在纸带上留下了小钢球的第一个位置。

3、让小钢球从斜槽上的同一位置滚下，同时抬平试验仪上的第二片小合片，小钢球与第二片小合片相碰撞，于是又在纸带上留下了小钢球的第二个位置。

  4、依次重复，于是就在纸带上留下了小钢球的一系列位置，如图所示。

  5、将这些点用一条平滑的曲线连接起来，于是就得到了小球的运动轨迹。

  6、在轨迹上取一些点，并测出其坐标，

7、分析其测出的坐标值，判断平抛运动的轨迹是不是抛物线，并相应计算出其初速度。

七、实验效果：

改进后的实验装置，使小球位置确定容易、精确度高；实验时间短，操作简单；小球运动轨迹显示直观。既能达到新课标对此实验的基本要求，又能使学生更好地掌握、理解平抛运动的特点、规律。从而激发学生学习物理的兴趣和利用物理实验探索物理规律的欲望。

八、自我评价：

本实验装置主要是在“记录小球位置”的方式上进行了改进。此改进，既符合中学实验的设计原则，简单、简洁、直观，又符合新课标的理念。在教学中既可设计成演示实验，又可设计成学生分组实验。为一较新颖的改进、创新型实验，有一定的实用价值。