物理趣味實驗與彈力球運動問題

物理趣味實驗與彈力球運動問題摘要：二十一世紀是一個信息技術飛速發(fā)展的世紀。隨機信息技術的發(fā)展，科學技術的傳播也變得更加方便快捷，其發(fā)展速度也是突飛猛進，各學科之間的聯(lián)系日益緊密，相互滲透，一種新的綜合化趨勢已經成為了現(xiàn)代科學發(fā)展的主流。因此，創(chuàng)新的思想越發(fā)顯得重要，創(chuàng)新需要人才，而人才需要教育。如何培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維有許多途徑，而物理趣味實驗教學是一種重要途徑?；A物理實驗教學一方面能讓學生受到系統(tǒng)的、嚴謹?shù)膶嶒灱寄苡柧?，另一方面還能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和科學思維能力，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，尤其是與現(xiàn)代科學技術的發(fā)展相聯(lián)系的綜合實踐能力，因此實驗教學應該隨著時代的發(fā)展而不斷創(chuàng)新，才能適應新的挑戰(zhàn)。只有這樣，才能培養(yǎng)出更多的人才，社會才會進步。關鍵字：趣味性實驗彈力球能量轉化InterestingphysicsexperimentandballmovementAbstract:intwenty-firstCentury,isarapiddevelopmentoftheinformationtechnologyage.Developmentofrandominformationtechnology,communicationtechnologyhasbecomemoreconvenientandfast,itsdevelopmentspeedisalsomakeaspurtofprogress,eachsubjectbetweentheincreasinglycloseties,mutualpenetration,anewcomprehensivetrendhasbecomethemainstreamofthedevelopmentofmodernscience.Therefore,theinnovationthoughtbecomesmoreandmoreimportant,innovationrequirestalent,andtalenteducation.Howtocultivatestudents'innovativethinkinginanumberofways,andinterestingphysicsexperimentteachingisanimportantwayto.Basicphysicalexperimentteachingcanmakestudentsbesystematic,rigoroustrainingofexperimentalskills,butalsocultivatestudentscreativespiritandabilityofscientificthinking,cultivatestudentsthetheorywithpractice,foundtheproblem,analyzeandsolvethequestionability,particularlyassociatedwiththedevelopmentofmodernscienceandtechnologywiththecomprehensivepracticalabilitytherefore,theexperimentteachingshouldinnovateconstantlywiththedevelopmentofthetimes,tomeetthenewchallenges.Onlyinthisway,inordertocultivatemoretalents,societycanprogress.Keywords:interestexperimentelasticballenergyconversion目錄摘要 20緒論 50.1研究背景 50.2研究意義 60.3研究方法 71趣味實驗概念表述 71.1趣味實驗的基本思路 71.1.1趣味實驗設計方案的原理 91.1.2趣味實驗設計方案的要求 101.2趣味實驗在物理教學中的運用 101.2.1趣味實驗對師生的影響 101.2.1趣味實驗教學在中學物理中的體現(xiàn) 112趣味實驗的實踐研究 122.1提出問題 122.2確定方案 122.3實驗設計實施 122.3.1實驗目的 122.3.2實驗器材 132.3.3實驗原理 132.3.4實驗步驟 142.4實驗數(shù)據的處理 152.4.1研究乒乓球平拋運動的實驗 152.4.2研究豎直方向上彈力球運動的實驗 152.4.3研究水平方向上彈力球運動的實驗 162.5實驗結果分析 182.6實驗誤差分析 183趣味實驗的作用與存在的問題 193.1趣味實驗的作用 193.2趣味實驗在現(xiàn)實教學中存在的問題和解決方法 19參考文獻 21致謝 220緒論0.1研究背景科學技術是第一生產力是馬克思主義的基本原理，馬克思、恩格斯關于科學是生產力的思想是十分深刻的。社會的發(fā)展有賴于科技的發(fā)展，科技的發(fā)展則需要創(chuàng)新，由此可見，創(chuàng)新對于人類社會的進步尤其重要。當今世界，國家實力最關鍵的體現(xiàn)就在于科技創(chuàng)新能力。在如今經濟全球化的時代，一個具有較強科技創(chuàng)新能力的國家就能在世界產業(yè)分工鏈中處于頂端地位，在掌握尖端技術的同時獲得巨大的利益，創(chuàng)造更多的新興產業(yè)，提供更多的就業(yè)機會，加快社會的飛速發(fā)展。物理是一門以實驗為基礎的自然科學，物理教學對于人才的培養(yǎng)、科技的發(fā)展都具有深遠的影響。作為一門基礎學科，物理學的進步將直接推動科學技術的發(fā)展。物理是一門鼓勵創(chuàng)新的科學，任何物理學上的重大發(fā)現(xiàn)、進步都是通過眾多物理學家的不斷的探索、從一次又一次的失敗吸取經驗教訓總結創(chuàng)新出來的。牛頓爵士是一位英格蘭物理學家、數(shù)學家、天文學家、自然哲學家。他在1687年發(fā)表的論文《自然哲學的數(shù)學原理》里，對萬有引力和三大運動定律進行了描述。這些描述奠定了此后三個世紀里物理世界的科學觀點，并成為了現(xiàn)代工程學的基礎。愛因斯坦——舉世聞名德裔美國科學家，為猶太人，現(xiàn)代物理學的開創(chuàng)者和奠基人，相對論、‘質能關系’的提出者，“決定論量子力學詮釋”的捍衛(wèi)者(振動的粒子)——不擲骰子的上帝。1999年12月26日，愛因斯坦被美國《時代》周刊評選為“世紀偉人”。牛頓、愛因斯坦的成功并不是偶然，他們都具有一種不懼權威、勇于創(chuàng)新的精神，所以牛頓才能在伽利略、開普勒的研究的基礎上加以總結、創(chuàng)新并建立牛頓經典力學體系;愛因斯坦才能創(chuàng)立相對論并且經受住了時間和歷史的嚴峻考驗。實驗教學在整個物理教學中起到的作用是巨大的，不但鍛煉學生的動手能力、實踐能力、思考能力，而且激發(fā)了興趣、培養(yǎng)了學生的探索精神、創(chuàng)新精神。0.2研究意義物理趣味實驗對于物理的意義物理學（英語：Physics）是一門研究物質最基本的結構、最普遍的相互作用以及最一般的運動規(guī)律及所使用的實驗手段和思維方法的自然科學，它的基本理論能夠運用到各種領域，發(fā)揮重要作用。物理學在本質上是一門實驗學科，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和物理理論的建立都必須以物理實驗為基礎，物理學中的每一項突破都與實驗密切相關。物理概念的確立，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，物理定律、定理的確立都有賴于物理實驗，而物理創(chuàng)新性實驗則更能體現(xiàn)實驗對于物理這門學科的重要性，正是由于這些奇思妙想才能突破舊的思維定勢，舊的常規(guī)戒律，改進或者創(chuàng)造新的事物。物理趣味實驗對于學生的意義通過物理實驗我們對于物理會有更加深刻的認知和理解，尤其是創(chuàng)新性試驗更能夠拓寬思維，激發(fā)學生學習興趣。通過對物理實驗的熟悉，可以幫助我們掌握基本的物理實驗思路和實驗器材的操作，進一步穩(wěn)固了對相關的定理的理解，鍛煉理性思維的能力。在提高我們學習物理物理興趣的同時，培養(yǎng)我們的科學思維和創(chuàng)新意識，掌握實驗研究的基本方法，提高基本科學實驗能力。它也是我們進入大學接觸的第一門實踐性教學環(huán)節(jié)，是我們進行系統(tǒng)的科學實驗方法和技能訓練的重要必修課。它還能培養(yǎng)我們“實事求是的科學態(tài)度、良好的實驗習慣、嚴謹踏實的工作作風、主動研究的創(chuàng)新與探索精神、愛護公物的優(yōu)良品德”。0.3研究方法本著理論聯(lián)系實際的思想，本論文主要通過查閱文獻資料與實踐探索相結合的方法來學習物理創(chuàng)新性實驗的概念及其運用。首先是對創(chuàng)新性實驗概念的表述，從理論的角度來了解創(chuàng)新性實驗；接著羅列出創(chuàng)新性實驗的研究步驟：1.提出問題2.確立方案3.實施實驗4.實驗數(shù)據處理5.實驗結果分析6.實驗誤差分析；最后談談創(chuàng)新性實驗的作用以及存在的問題。1趣味實驗概念表述趣味實驗在實驗內容上，體現(xiàn)時代性；在教學目標上，注重提高學生的實驗素養(yǎng)，增強學生的創(chuàng)新意識，發(fā)展學生的自主學習能力和獨立研究能力。在教學中充分發(fā)揮傳統(tǒng)儀器和實驗方法作用的同時，克服保守思想，采納新觀念，關注新技術在物理實驗中的運用，根據主題要求設計新的實驗，針對不同類型的實驗采取新的實驗方法，提倡使用一些新的儀器。1.1趣味實驗的基本思路明確提出問題，了解實驗的趣味性（2）分析實驗中需要測量哪些物理量以及需要哪些儀器進行測量（3）運用所學知識與技能，確定所需器材、實驗步驟，設計實驗方案1.1.1趣味實驗設計方案的原理物理趣味實驗具有創(chuàng)新性，要打破常規(guī)、發(fā)散思維、體現(xiàn)趣味性，所以沒有固定的模式和萬能的方法，但是物理實驗的設計又有其自身規(guī)律性，從實驗設計的六個層面上提煉出物理實驗設計的六大原理[1]：物理平衡原理物理平衡原理是已知A，現(xiàn)求B，B不易直接求，讓B與A平衡，則可巧妙地求B.A和B代表物理現(xiàn)象、物理過程或物理量,這里的平衡可以是力平衡、熱平衡、電磁平衡等。（2）物理轉換原理物理轉換原理是已知B=f(A),現(xiàn)要測B,但B不易測,利用B=f(A)把測B轉換為測A,由B=f(A)可得B.（3）物理比較原理物理比較原理是若實驗條件N相同,有某物理現(xiàn)象或物理規(guī)律K相同;若條件N不同,有某物理現(xiàn)象或物理規(guī)律K不同,則說明實驗條件N是某物理現(xiàn)象或物理規(guī)律K的相關因子（4）物理放大原理物理放大原理是若物理現(xiàn)象、物理過程不明顯或物理量A太小不易測量,可以進行物理放大,使物理現(xiàn)象、物理過程明顯,使物理量A容易測量.物理放大有力學放大、光學放大、電磁放大、熱學放大和疊加放大等多種方案（5）物理模擬原理物理模擬原理是某些物理現(xiàn)象、物理過程或物理規(guī)律A不容易或不可能直接顯示出來,經過物理原理模擬后把它們可靠和容易地顯示出來（6）物理變換原理物理變換原理是在物理實驗改革和物理創(chuàng)新實驗設計中創(chuàng)新性較高的原理,物理變換原理分為:(1)靜?動變換;(2)水平?豎直變換;(3)平面?立體變換;(4)放大?縮小變換;(5)分立?一體變換等1.1.2物理趣味實驗設計方案的要求物理趣味實驗首先必須具有趣味性，實驗現(xiàn)象要明顯，要能夠激發(fā)興趣，其次，實驗必須簡單易操作，繁雜冗長的實驗步驟很難激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，最后，實驗還要具有可行性，可以想象很難實現(xiàn)或無法實現(xiàn)的實驗很難有說服力，只有真正可行的實驗才能通過直觀的實驗現(xiàn)象引起學生的思考，啟發(fā)學生的創(chuàng)新思維。1.2趣味物理實驗在物理教學中的運用在整個物理教學過程中，趣味物理實驗占有重要的地位，往往是對前面所學知識的鞏固甚至升華，為枯燥的物理學習帶來了新的活力，還起到了開拓學生眼界、鼓勵發(fā)散思維、提倡創(chuàng)新精神的作用。1.2.1趣味實驗對師生的影響物理趣味實驗的實驗現(xiàn)象一般會與我們的生活經驗產生矛盾，學生通過日常生活經驗很難理解為什么會有這樣的現(xiàn)象，這就會激發(fā)學生的好奇心、求知欲，同時教師必須具備扎實的學科知識才能為學生專業(yè)地闡述現(xiàn)象的本質，透過現(xiàn)象看本質?？偠灾?，物理趣味實驗不僅對學生是挑戰(zhàn)，而且對教師也是一種挑戰(zhàn)。1.2.2趣味實驗在中學物理中的體現(xiàn)在中學物理教學中有許許多多的物理趣味小實驗，例如：能自己跳開的紙杯、吹不出來的兵乓球、土電話、擴散現(xiàn)象、漂浮的針、燒不斷的棉線、自己會走路的杯子。這些實驗的器材通常來源于生活，在日常生活中隨處可見，可也就是這些普通的器材卻能產生奇特的實驗現(xiàn)象。下面就主要來介紹能自己跳開的紙杯和吹不出來的乒乓球這兩個趣味實驗。實驗1

能自己跳開的紙杯

實驗材料：兩只紙杯（或輕的塑料杯）

實驗步驟：1．把兩只紙杯重疊好后，放在水平桌面上2．用手輕輕抓住下面的紙杯，用力對上面的紙杯沿水平方向吹氣，上面的紙杯便會迅速地跳離開來。

實驗原理：當我們對上面的紙杯沿水平方向吹氣時，紙杯上面的空氣流動速度加快，氣壓減小，而紙杯下面的空氣流動速度沒有改變，氣壓也沒有改變，這樣，由于紙杯下面氣壓較大，就把紙杯壓上去了。這一現(xiàn)象是荷蘭物理學家伯努利首先發(fā)現(xiàn)的，也就是伯努利原理。丹尼爾·伯努利在1726年首先提出的原理的內容是：在水流或氣流里，如果速度小，壓力就大，如果速度大，壓力就小。實驗2

吹不出來——神奇的兵乓球

實驗器材：乒乓球一個、漏斗一個

實驗步驟：1.拿一個乒乓球放在漏斗里，仰著頭，往漏斗里吹氣。2．事實告訴我們：越是使勁想把乒乓球吹出來，它越是呆在那里不動。

實驗原理：這是因為當氣流從漏斗中吹出來時，沖擊乒乓球的表面，氣流繞著乒乓球往上涌，這時乒乓球下部的壓力比大氣的壓力小，因而使乒乓球無法跳出漏斗。你越是使勁吹，乒乓球下面的氣流速度越快，壓力也越低，大氣的壓力就會把球死死地“摁”在漏斗里。2趣味實驗的實踐探究乒乓球平拋落在水平桌面上后的彈跳軌跡是有規(guī)律的，那么換成彈力球呢？它的運動軌跡是否也是有規(guī)律可循的呢？2.1提出問題彈力球平拋落在水平桌面上后的彈跳軌跡是如何的？以及產生實驗現(xiàn)象的原因是什么？2.2確定方案我們可以借助高速攝像機完整的記錄下彈力球平拋落在水平桌面上后的彈跳軌跡，測量并比較相鄰落地點之間的距離，探究運動軌跡形成的原因并與同種情況下的乒乓球做對比。2.3實驗設計實施實驗設計實施包括確定實驗目的，選取實驗器材，解釋實驗原理，實驗步驟操作四個方面。2.3.1實驗目的探究彈力球平拋落在水平桌面上后的彈跳軌跡，對比乒乓球的彈跳軌跡，分析彈跳軌跡形成的原因2.3.2實驗器材彈力球，乒乓球，高速攝像機，簡易斜面，鋼尺，鐵架臺2.3.3實驗原理彈力球平拋落在水平桌面上后的彈跳軌跡與乒乓球的彈跳軌跡有所區(qū)別，乒乓球每段相鄰落地點之間的距離基本相等，而彈力球每段相鄰落地點之間的距離不相等，會出現(xiàn)距離一短一長交替出現(xiàn)的情況，而且每一段較短的距離基本相等，每一段較長的距離也基本相等。出現(xiàn)這樣的實驗現(xiàn)象的主要原因就是能量的轉化。彈力球在第一次與桌面碰撞時會受到桌面對彈力球的巨大靜摩擦力，由于受到靜摩擦力會導致彈力球旋轉，從而彈力球的平動動能會轉換成轉動動能，因為平動動能的減小所以彈力球第一次彈跳的距離較短，而彈力球在第二次與桌面碰撞時具有轉動動能，靜摩擦力會阻礙彈力球的轉動，這樣轉動動能又轉化成了平動動能，因為平動動能的增大所以彈力球第二次彈跳的距離較長。接下來彈力球的運動就是重復之前的一短一長的運動，如此往復下去。2.3.4實驗步驟首先可以大致觀察乒乓球和彈力球在兩個表面之間的反彈軌跡，通過兩球運動軌跡對比發(fā)現(xiàn)彈力球運動與一般小球（比如乒乓球）運動存在差異，感受彈力球的特殊物理性質。將簡易斜面擺放在19.9cm高的高處，并使球從斜面靜止滑下后能水平拋出落在水平桌面上，在大致的落地位置放上一把長度適合的直尺，并與小球彈跳軌跡所在平面保持平行使得讀數(shù)正確。將乒乓球從斜面上相同高度靜止滑下，使用高速攝像機記錄下乒乓球在水平桌面上彈跳軌跡，重復多次實驗，避免偶然情況。同樣的將彈力球從斜面上相同高度靜止滑下，保持每次彈力球平拋的初速度相同，使用高速攝像機記錄下彈力球在水平桌面上彈跳軌跡，多次實驗。最后比較乒乓球和彈力球的彈跳軌跡，分析原因。得出結論，整理實驗器材。2.4實驗數(shù)據處理實驗結果的表達，首先取決于實驗的物理模式，通過被測量之間的相互關系，考慮實驗結果的表示方法。常用到數(shù)據處理方法有作圖法，列表法，平均值法，最小二乘法等。在處理數(shù)據時可根據需要和方便選擇任何一種方法表示實驗的最后結果。2.4.1研究乒乓球平拋運動的實驗將乒乓球從19.9cm高處以一定的初速度平拋落在水平桌面上，依次測量乒乓球在水平桌面上第一段、第二段、第三段、第四段彈跳距離S，總共做3次實驗，避免偶然性。次數(shù)距離/cm第一段彈跳距離S1第二段彈跳距離S2第三段彈跳距離S3第四段彈跳距離S4138.3536.6634.7934.15238.8536.6534.4233.68339.6738.2435.5233.552.4.2研究彈力球豎直方向上運動的實驗為了更好地研究彈力球在水平桌面上的彈跳軌跡可以把從豎直方向和水平方向兩個方面來探究。同樣將彈力球從19.9cm高處放下，使其做自由落體運動，記錄彈力球第一次、第二次、第三次、第四次彈起高度H，以此來代替探究彈力球平拋落到水平桌面后豎直方向上的運動，總共做3次實驗。次數(shù)距離/cm第一次彈起高度H1第二次彈起高度H2第三次彈起高度H3第四次彈起高度H4118.4518.0517.3316.76218.3217.7817.3716.42317.8917.0216.6916.052.4.3研究彈力球水平方向上運動的實驗接著就是研究彈力球水平方向上的運動規(guī)律，同樣的還是讓彈力球從高19.9cm的高處以相同初速度水平拋出，記錄第一次、第二次、第三次、第四次彈跳距離X，再與乒乓球的彈跳距離作比較，分析原因。次數(shù)距離/cm第一次彈跳距離X1第二次彈跳距離X2第三次彈跳距離X3第四次彈跳距離X4135.8442.3334.4340.24236.1241.7635.4639.86336.9643.2534.8541.232.5實驗結果分析根據實驗觀察和結果分析能夠得到如下兩張的軌跡圖：圖一：彈力球的運動軌跡與一般的小球（比如乒乓球）的運動軌跡顯著地不同[2]圖二：兩球在一個表面上的運動軌跡[2]在實驗允許的誤差范圍內，乒乓球在水平表面上每次彈跳的距離基本相等，而彈力球彈跳距離則會出現(xiàn)先短后長的情況，原因在于彈力球第一次與水平表面碰撞時會產生一個巨大摩擦力，摩擦力會導致彈力球的旋轉，從而彈力球的平動動能轉化為轉動動能；而第二次碰撞時，巨大摩擦力會阻礙彈力球的轉動，從而轉動動能轉化為平動動能，平動動能的大小會影響彈力球的彈跳距離。2.6實驗誤差分析做物理實驗時要對一些重要物理量進行測量。各被測物理量在實驗當時條件下均有不以人的意志為轉移的真實大小，我們稱之為此值為被測物理量的真值。測量的理想結果就是真值，但是它是不能確知的，因為，首先測量儀器只能準確到一定程度；其次有環(huán)境條件影響，并且觀測者操作和讀數(shù)不能十分準確，理論也有近似性，所以測量值和真值總可能不一致。定義測量值減去真值的差為測量值的誤差，即測量值（x）-真值（a）=誤差（ε）由于真值是不能確知的，所以測量值的誤差也不能確切知道，在這樣的情況下，測量的任務主要是：給出被測量物理量真值的最佳估值以及給出真值最佳估值的可靠程度的估計[3]。對于實驗誤差主要有系統(tǒng)誤差和隨機誤差。系統(tǒng)誤差的主要產生原因是實驗儀器、實驗方法上的局限性，避不可免，但是我們可以設法去削減系統(tǒng)誤差；在同種情況下，對同一物理量進行重復的測量，各個測量值一般不完全相同，這就是測量時存在隨機誤差的緣故，一般我們可以采用多次測量求平均值的方法來減小隨機誤差給實驗帶來的影響。本次幾個實驗的誤差主要來自于空氣阻力，而讀數(shù)方面也存在一定誤差。3趣味實驗的作用與存在的問題任何事物都存在兩面性，有優(yōu)秀的一面也有不足的一面，下面我們來談談物理趣味實驗的作用以及一些存在的問題。3.1趣味實驗對于新課程的意義物理趣味實驗在使學生掌握物理知識的同時激發(fā)學生學習物理的興趣，加深對于物理知識和物理規(guī)律的理解。學生是學習的主體，教師只是起到主導作用，充分發(fā)揮學生的主體地位，對提高物理教學質量，培養(yǎng)創(chuàng)新人才，具有重大的意義?？茖W開發(fā)和建立物理趣味實驗教學，是社會發(fā)展對人才需求的必然，是教學改革和深化的要求，也是構建和諧社會，推動社會進步的重要體現(xiàn)，是貫徹落實素質教育的重要舉措。3.2趣味實驗在現(xiàn)實教學中存在的問題及解決方法另一方面趣味實驗在現(xiàn)實教學中也存在著一些問題，由于實驗必須具有一定趣味性，編寫難度較大，有些實驗的實驗效果不太明顯。學校和教師受傳統(tǒng)觀念的影響，普遍認為理論重于實驗，這種思想導致了學生動手操作能力差，學生并沒有真正自己動手去做實驗，去感受實驗帶來的樂趣。物理實驗教學的教學方式也存在