巧用光電門改進(jìn)平拋運動常規(guī)實驗

劉春英

摘? ?要：核心素養(yǎng)背景下，實驗教學(xué)顯得更加重要。但目前實驗室所提供的實驗器材中，許多器材都有這樣或那樣的瑕疵。因此，教師在實驗教學(xué)中要有心理準(zhǔn)備，要主動改進(jìn)、重組現(xiàn)有的實驗器材，使之為培育學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)揮更好的功能。本文就現(xiàn)有的平拋運動實驗器材的不足進(jìn)行分析，同時提出改進(jìn)方法，并付諸于探究教學(xué)實踐，實驗效果更佳。

關(guān)鍵詞：平拋運動;創(chuàng)新實驗;探究教學(xué)

平拋運動是高中物理教學(xué)的重點之一，是學(xué)生在學(xué)習(xí)直線運動之后面臨的第一類曲線運動。如何運用直線運動的規(guī)律來分析處理曲線運動，幫助學(xué)生理解平拋運動可以分解為沿水平方向的勻速直線運動和沿豎直方向的自由落體運動。對此，不同版本的教材提供了不同的實驗探究方案，這是落實“通過實驗，探究并認(rèn)識平拋運動的規(guī)律[ 1 ]”的高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出的要求。但在教學(xué)過程中，本人總感到這些教材提供的常規(guī)實驗方法有不盡人意之處，可以進(jìn)行改進(jìn)，讓實驗效果更佳。下面就此談?wù)勛约旱挠^點和做法，與同行們共商榷。

1? 探究平拋運動水平分運動規(guī)律的器材的不足和改進(jìn)方法

1.1? 常規(guī)探究方法

實驗裝置如圖1，兩個相同的斜槽軌道P、Q，分別用于發(fā)射小鐵球M、N。兩軌道斜面頂端分別安裝有電磁鐵a、b，調(diào)節(jié)電磁鐵的高度，使h1=h2，以確保小鐵球M、N分別從兩軌道的出口處射出的水平初速度v0相等。將小鐵球M、N分別吸到兩軌道頂端的電磁鐵上，然后切斷電源，同時釋放兩小球，使兩球以相同的初速度從軌道末端水平射出。此后M球做平拋運動，N球沿水平光滑軌道做勻速直線運動[ 2 ]。實驗結(jié)果顯示，兩小球?qū)⒃贓處發(fā)生碰撞。通過本實驗可得出的結(jié)論是：平拋運動沿水平方向做勻速直線運動。

1.2? 實驗缺點分析

實驗中，一是較難保證兩球從軌道末端水平射出的初速度相等。因為不確定的因素多，比如在安裝時h1=h2可能存在偏差，兩軌道對小球運動的摩擦阻力可能不相等，以及軌道的末端可能不呈水平狀態(tài)等;二是N球從軌道Q的末端射出后是在水平軌道上運動，實際上要受到摩擦阻力的作用，不是做勻速直線運動;三是兩小球在E處相碰作為同時到達(dá)的依據(jù)也可能存在較大的誤差，因為在極短的時間內(nèi)人眼很難看清兩球是否上下對齊碰撞，如果是斜碰，前后相差就會有2～3 cm的偏差。

1.3? 實驗改進(jìn)方法

現(xiàn)在光電門在各高中學(xué)校已經(jīng)是標(biāo)配器材，在平拋運動的實驗中可以充分利用光電門的計時功能來彌補(bǔ)上述實驗的缺點。

如圖2所示，讓同一小球從同一斜槽軌道上的同一點由靜止開始下滑，并做平拋運動。重復(fù)多次后，大致確定平拋運動的軌跡（如圖虛線所示），并在該軌跡線的兩側(cè)，沿豎直方向安裝四對光電門。其中，光電門1與光電門2的水平間距L1和光電門3與光電門4的水平間離L2應(yīng)相等，即L1=L2。這樣測得實驗中小球從光電門1到光電門2的時間t1和從光電門3到光電門4的時間t2，如果t1=t2，說明在這兩段時間間隔內(nèi)小球在水平方向上的平均速度相等。再根據(jù)合運動與分運動的等時性，推出平拋運動的沿水平方向的分動動應(yīng)是勻速直線運動。本實驗是從合運動直接得出水平方向上的分運動為勻速直線運動的結(jié)論，避免了采用兩球?qū)Ρ葘嶒炛兴杰壍滥Σ恋纫蛩氐挠绊憽?/p>

2? 探究平拋運動豎直分運動規(guī)律的器材的不足和改進(jìn)方法

2.1? 常規(guī)探究方法之一

如圖3所示，小球A從斜軌滑下后做平拋運動，在經(jīng)過軌道末端開始做平拋運動時啟動關(guān)電開關(guān)，切斷電磁鐵電源，使B球在A球開始平拋運動的同時，也開始做自由落體運動[ 2 ]。本實驗從兩球的同時落地，說明兩球在豎直方向上的運動規(guī)律相同，從而證明平拋運動沿豎直方向的分運動屬于自由落體運動。

缺點是：判斷同時落地的依據(jù)是聽到同一落地聲。由于小球落地后會反彈，與地面碰撞會發(fā)出多次的碰撞聲，這給學(xué)生聽聲判斷帶來困難。

2.2? 常規(guī)探究方法二

利用頻閃照片描繪平拋運動軌跡，再利用軌跡上的點進(jìn)行分析探究。如圖4所示，若相鄰兩位置的水平間距離都相等，則說明平拋運動的水平分運動為勻速直線運動。如果測得0與1兩位置的豎直間距為s1， 1、2兩位置的豎直間距為s2， 2、3兩位置的豎直間距為s3，當(dāng)滿足s1∶s2∶s3=1∶3∶5關(guān)系時，說明平拋運動在豎直方向上的分運動為初速度為零的勻加速直線運動，再用逐差法算出加速度a的值等于重力加速度g，則證明豎直分運動為自由落體運動。

缺點是：課本提供的頻閃照片不是現(xiàn)場拍的，學(xué)生沒有經(jīng)歷拍攝過程;如要要現(xiàn)場拍攝，一是采用數(shù)碼相機(jī)連拍，還需用軟件將多張照片進(jìn)行合成，精度不夠高;二是使用數(shù)碼單反相機(jī)的慢門結(jié)合頻閃燈拍攝，這對環(huán)境、操作的要求高。

2.3? 實驗改進(jìn)方法

可利用光電門實驗克服上述缺點。如圖5所示，利用前面圖3的器材配上四對光電門。其中光電門1與光電門2用以記錄平拋運動的A球在兩光電門之間運動的時間t1;光電門3與光電門4記錄B球在兩光電門之間運動的時間t2。這里關(guān)鍵是，光電門1與光電門3要安置在同一水平線上，光電門2與光電門4安置在另一水平線上。如果t1=t2，說明球A在豎直方向上與B球的運動同步，從而說明平拋運動沿豎直方向的分運動是自由落體運動。為體現(xiàn)實驗結(jié)論的一般性，可以同時將光電門1與光電門3升高或?qū)⒐怆婇T2與光電門4降低，以進(jìn)行多次的測量。本實驗通過上述的改進(jìn)之后，可以更直觀、定量的探究平拋運動沿豎直方向的運動規(guī)律。

3? 改進(jìn)實驗方法所用到的器材

圖6所示的是本人制作的平拋運動演示儀的實物圖，主要有：

移動白板1塊、光電開關(guān)1對、光電門4對、12007計時器2臺、斜槽軌道（末端水平）、PVC制作的接收槽、鋼球3個、強(qiáng)力磁鐵若干、電線槽、電線若干條、強(qiáng)力膠水。

這些器材取材于學(xué)校的實驗室，組裝難度不大，造價不高，易于操作。

4? 教學(xué)實踐與體會

傳統(tǒng)的教具不是不能用，也并非改進(jìn)的教具就一定比傳統(tǒng)的好，但在教學(xué)實踐中如果稍加改變或?qū)⒍呓Y(jié)合起來，往往會獲得更好的實驗育人效果。本人的處理方法是，在探究平拋運動在水平方向上的運動規(guī)律時，先用上述圖1所示的實驗裝置讓學(xué)生對平拋運動先有一個定性的認(rèn)識，再通過圖2所示的實驗裝置與學(xué)生一道進(jìn)行定量的實驗探究;在探究平拋運動沿豎直方向的運動規(guī)律時，先用圖3所示的實驗裝置讓學(xué)生先有一個定性的認(rèn)識，再通過圖4、圖5所示的實驗裝置進(jìn)行定量的探究。這樣的處理方法可以讓學(xué)生在實驗探究中經(jīng)歷定性和定量兩種探究過程，經(jīng)歷多種探究方法，進(jìn)一步加強(qiáng)了實驗教學(xué)，這對提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)大有裨益。

結(jié)束語：采用改進(jìn)型平拋運動演示儀具有多方面優(yōu)勢，最大的優(yōu)越點就是學(xué)生可以直接通過測量數(shù)據(jù)，得出平拋運動沿水平方向和沿豎直方向的運動規(guī)律。同時，變表面現(xiàn)象的觀察為通過測量數(shù)據(jù)的精確分析。當(dāng)然，也還有一個缺憾，就是該演示儀沒有得到廠家的批量生產(chǎn)，教學(xué)中還只能是師生共同使用一套儀器進(jìn)行探究。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[[S].北京：人民教育出版社，2018：14-18.

[2]黃巧曦. 注重學(xué)生學(xué)習(xí)過程的“平拋運動”教學(xué)實錄[J].中國教師，2020（1）：44-46.