基于教材實驗方案的改進與創(chuàng)新
——平拋運動的實驗研究

孫 策

(浙江省慈溪市慈中書院,浙江 寧波 315300)

·物理實驗·

基于教材實驗方案的改進與創(chuàng)新
——平拋運動的實驗研究

孫 策

(浙江省慈溪市慈中書院,浙江 寧波 315300)

教材中的實驗“研究平拋運動”參考案例2,采用了水平射出的細水柱來顯示平拋運動軌跡,既直觀簡單,又貼近學生生活.但是,把這一案例作為學生分組實驗,在實際教學中很少見到.究其原因,這一看起來非常簡單的實驗,真正實踐起來卻會遇到了各種各樣意想不到的問題.

平拋運動軌跡； 細水柱； 實驗改進

1 問題的提出

人教版普通高中課程標準實驗教科書《物理·必修2》第5章第3節(jié)“實驗:研究平拋運動”是高中階段重要的一個分組實驗.它既是對平拋運動理論的鞏固和驗證,也是一次培養(yǎng)學生實驗設(shè)計和實驗操作能力的機會.該實驗有3個實驗?zāi)康?一是通過實驗手段描繪出平拋運動的軌跡,二是根據(jù)所繪軌跡探究平拋運動的規(guī)律,三是通過平拋運動軌跡求出物體的初速度.可以看出,3個目的都離不開平拋運動軌跡.因此,正確描繪出平拋運動軌跡是本實驗的前提,教材中提供了3個參考案例.[1]在實際的教學中以參考案例1(利用鋼球做平拋運動描繪軌跡)為最多,基本上每個學校都配備了相關(guān)的實驗儀器.但該實驗最大的問題是不能直接顯示出小鋼球做平拋運動的軌跡,需要多次描點才能在白紙上間接描繪出小球的平拋運動軌跡.實驗時,控制條件較多,記錄小球的具體位置時經(jīng)常會出現(xiàn)較大的誤差,實驗者需要較高的實驗操作技能,才能描繪出較理想的軌跡.參考案例3用數(shù)碼照相機或數(shù)碼攝像機記錄平拋運動軌跡,雖然精確度較高,但缺點也非常明顯:一是很多實驗室沒配置數(shù)碼相機;二是實驗者需要掌握攝影攝像技術(shù),顯然學生不可能都精通;三是自動化的設(shè)備不利于學生對實驗原理理解和實驗操作能力的培養(yǎng).

李政道也曾經(jīng)說過:“自己動手做的儀器,永遠比買的好”.因此,高中物理實驗教學中,實驗裝置要選擇盡量簡單,實驗原理要簡單明了,實驗現(xiàn)象要顯著直觀.這樣,通過物理實驗,就能很好地幫助學生理解和掌握物理概念、規(guī)律,完成從理論到實踐的升華.基于以上原因,筆者選擇了實驗現(xiàn)象更加顯著直觀的水柱的平拋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的小球平拋,并對實驗實施過程中遇到的各種問題進行了分析、改進和創(chuàng)新.

2 實驗方案改進

2.1 細水柱發(fā)生裝置

圖1

(1) 實驗裝置的部件設(shè)計與改進.

如圖1所示,A管口與大氣相通,壓強始終等于大氣壓強.液面下降到A管口前,由于A、B管口高度差不變,可知噴嘴處流出的細水柱是持續(xù)穩(wěn)定的(圖1).

圖2 止水裝置

改進1:為了防止裝有適量水的玻璃瓶倒置時,水從直玻璃管下端流出來,可在直玻璃管的末端加接了一段橡膠管并用止水夾夾住(圖2).

該裝置設(shè)計的難點在于噴嘴的選材和連接,教材中只是籠統(tǒng)地提到“玻璃管的水平端加接一段更細的硬管作為噴嘴”.

圖3

改進2:用塑座不銹鋼點膠針頭作為噴嘴,前端為長13 mm的圓柱形不銹鋼鈍口針頭,后端為塑座螺口(圖3).點膠針頭不但內(nèi)徑小而且規(guī)格眾多(0.06 mm～1.55mm),通過選擇內(nèi)徑合適的點膠針頭就能獲取較細的細水柱,提高實驗的精確度.用500 mL廣口瓶裝水,經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn),當點膠針頭的內(nèi)徑小于0.51 mm時,不再噴出細水柱,而是間斷地從點膠針頭滴出水珠.當點膠針頭的內(nèi)徑在0.51 mm～0.84 mm之間時,雖然能噴出細水柱,但細水柱很快就發(fā)散了.經(jīng)實驗反復(fù)比較,最終確定內(nèi)徑為1.55 mm的點膠針頭作為噴嘴,噴出的細水柱能形成一段相對較長又整潔的拋物線.

塑座螺口的內(nèi)徑(5 mm左右)和玻璃管的外徑(6 mm左右)很難匹配,再考慮到接口處的密封性,因此塑座螺口不可能直接套在玻璃管上.

改進3: 截取5 mL巴氏滴管的一小段漏斗形塑料管,如圖4方框內(nèi)所示的那一段,把內(nèi)徑小的一端插入塑座螺口,內(nèi)徑大的一端套在水平端玻璃管上(圖5).

圖4

圖5

圖6

用電鉆在橡膠塞上開兩個直徑略小于玻璃管外徑的小孔,將改進后的玻璃管插入小孔中,再用橡膠塞塞住瓶口,這樣就完成了細水柱發(fā)生裝置的裝配.該裝置主要有500 mL廣口瓶、橡膠塞、兩端開口的直玻璃管和L形直角玻璃管、橡膠管、止水夾以及點膠針頭等部件組成(圖6).

(2) 實驗裝置的驗證與完善.

用該裝置做實驗時,發(fā)現(xiàn)了意料之外的現(xiàn)象,噴出的細水柱在空中不斷抖動,非常不穩(wěn)定.經(jīng)分析認為,可能是直玻璃管4 mm的內(nèi)徑有點偏大了,導致冒出來的氣泡大而且不連續(xù),從而使噴嘴處的壓強變得不穩(wěn)定,噴出的細水柱發(fā)生了明顯抖動.由此,可以嘗試減小進氣口的內(nèi)徑,來消除這種細水柱不穩(wěn)定的現(xiàn)象.

圖7

改進4: 在直玻璃管管口加接一段內(nèi)徑為0.5 mm的點膠針頭作為進氣口,連接方式同上(圖7).

采用改進前后兩種不同進氣口(玻璃管進氣口與點膠針頭進氣口)進行實驗比較,圖8中能明顯觀察到點膠針頭中出來的氣泡更小更連續(xù).再次實驗發(fā)現(xiàn),裝置中噴出的細水柱非常穩(wěn)定,如圖9所示.

圖8 圖9

2.2 描點坐標裝置

(1) 底座.

本實驗底座選用了J2154型平拋運動實驗器的底座,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10a為背面,b為正面).

圖10

圖11

(2) 坐標紙.

由于本實驗是用細水柱做平拋運動顯示軌跡,普通的坐標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紙(圖11).它對水的滲透具有較強的抵抗力.硫酸坐標紙的規(guī)格有很多,可以根據(jù)實驗的需求自行裁剪.

3 實驗操作過程

(1) 在玻璃瓶內(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鐵圈的狹縫,將玻璃瓶倒置于鐵架臺上(圖12).

圖12 操作步驟

(2) 用夾子將坐標紙固定在白板上,讓重錘線通過坐標紙上的坐標原點O,然后用夾子將重錘線固定在坐標紙上(圖13).

圖13 操作步驟

(3) 調(diào)整調(diào)平螺栓,使重錘線與坐標紙的左側(cè)豎直線重合.確定左側(cè)豎直線為y軸,過坐標原點O且與y軸垂直的水平線為x軸(圖14).

圖14 操作步驟

圖15 操作步驟

(4) 保持底座不動,移動鐵架臺,將出水口在坐標紙上的水平投影點置于坐標紙的原點O,并利用三角板使噴嘴口的切線方向與重錘線成直角.注意噴嘴不要貼在坐標紙上,留出約0.5 cm的距離,盡量不讓水濺在坐標紙上(圖15).

(5) 打開止水夾,使水從噴嘴流出,待細水柱穩(wěn)定后用鉛筆沿著細水柱在坐標紙上描下若干點(圖16).

圖16 操作步驟

注意:描點時視線要對準細水柱且與白板垂直,在細水柱的正背面描點;描點時鉛筆不能擋住細水柱;由于空氣阻力等因素,細水柱末端發(fā)散了,因此取離噴嘴口較近的一段曲線研究(圖17).

圖17 操作步驟

(6) 取下坐標紙,剔除偏離拋物線較遠的點,用光滑曲線擬合其余的點(圖18).

圖18 操作步驟

4 結(jié)束語

本實驗實施過程中,在細節(jié)上做了詳細的改進和完善,使教材中參考案例2作為學生實驗結(jié)果更為精確.該實驗的優(yōu)點是夠提供直觀形象的平拋運動的軌跡,并能方便地把軌跡描繪在坐標紙上.其次在設(shè)計實驗時充分利用了生活中常見的資源,使實驗情景更貼近學生生活,引導學生從生活走向物理,從物理走向生活.該實驗還留下了很大的思考空間,比如可以讓學生探討,直玻璃管的進氣口在液面以上能不能得到穩(wěn)定的細水柱;直玻璃管進氣口在液面以下為什么會噴出穩(wěn)定的細水柱;理論上預(yù)言裝置工作時能噴出穩(wěn)定的細水柱,但在實驗時觀察到的卻是不斷抖動的細水柱,是壓強理論出現(xiàn)了問題還是實驗器材有缺陷等等.教師可以很自然地利用本實驗創(chuàng)設(shè)真實的探究情境,引導學生有效開展真實的物理實驗探究.通過創(chuàng)造性地設(shè)計或者改進已有實驗,不但使物理課堂“魔力十足”,更有利于激發(fā)學生的創(chuàng)新意識.其次通過教師的身體力行,在潛移默化中增強了學生的動手能力和實踐意識.因此,基于教材實驗方案的改進與創(chuàng)新,是培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的一個有效途徑.

1 人民教育出版社課程教材研究所物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中課程標準實驗教科書·物理·必修2(第3版)[M].北京:人民教育出版社,2010:13-15.

2017-05-12)