高中物理人教版第五章曲線運(yùn)動實驗研究平拋運(yùn)動 平拋運(yùn)動演示實驗的改進(jìn)

平拋運(yùn)動演示實驗的改進(jìn)

摘要：現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)日新月異，高速發(fā)展，如何利用我們手中一些先進(jìn)的工具，加入到我們的課堂教學(xué)中來，改進(jìn)我們現(xiàn)有的教育教學(xué)手段，改進(jìn)我們的現(xiàn)有實驗方式，提高教學(xué)效率，是擺在我們面前的一個熱門話題，也是我們一線教師在教育教學(xué)活動中應(yīng)該多觀察、多思考、多探究和多實踐的。例如，我們可以用具有頻閃功能的數(shù)碼相機(jī)來改進(jìn)平拋運(yùn)動演示實驗。

關(guān)鍵字：頻閃照相、平拋運(yùn)動

一、用更精細(xì)的方法來演示平拋運(yùn)動

粵教版必修2第一章《拋體運(yùn)動》第四節(jié)《平拋物體的運(yùn)動》，是高中物理中一個重要的知識點，也是高考考點。從原來的直線運(yùn)動到曲線運(yùn)動，學(xué)生的學(xué)習(xí)很容易遇到障礙，我們教師需要考慮怎樣將問題化難為簡。平拋運(yùn)動的概念是：水平拋出的物體只在重力作用下的運(yùn)動。從運(yùn)動性質(zhì)上看，平拋運(yùn)動是加速度為重力加速度的勻加速曲線運(yùn)動，軌跡是拋物線。

圖1、傳統(tǒng)的平拋運(yùn)動實驗器我們教師如何對平拋運(yùn)動進(jìn)行運(yùn)動的分解和探究講解，才讓復(fù)雜的曲線運(yùn)動簡單直觀和易于理解呢？傳統(tǒng)的平拋運(yùn)動演示儀（如圖1），操作比較復(fù)雜、繁瑣，在課堂上做演示探究時比較費(fèi)時，實驗得出平拋運(yùn)動小球的痕跡是靠復(fù)寫紙留下的，時隱時現(xiàn)，不夠清晰，而且誤差比較大，不利于我們對平拋運(yùn)動的分解學(xué)習(xí)，不利于對平拋運(yùn)動特點的分析和論證。課本必修2第16頁提到：我們可以用頻閃照相的方法更精細(xì)地研究平拋運(yùn)動的兩個分運(yùn)動的性質(zhì)。并且附有頻閃照片，說明用頻閃照相的方法能得出更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。但是一般來說頻閃照相實驗在大學(xué)才有條件開展，在中學(xué)實驗室中并沒有配備這些實驗設(shè)備，我們?nèi)绾卫檬种鞋F(xiàn)有的器材（如相機(jī)）來實現(xiàn)頻閃照相呢？在熱愛攝影的劉主任的指導(dǎo)和協(xié)助下，我成功地實現(xiàn)了利用數(shù)碼相機(jī)對平拋運(yùn)動的小球進(jìn)行頻閃照相，取得良好的實驗效果。一、實驗過程1、實驗?zāi)康睦镁哂蓄l閃功能的數(shù)碼相機(jī)演示和分析平拋運(yùn)動的特點

2、材料器具

平拋軌道（帶鋼球）、水平尺、具有頻閃功能的閃光燈（例如尼康SB800、SB900、索尼F58AM等）、支持手動功能的數(shù)碼相機(jī)、黑布（背景）、計算機(jī)及其輔助軟件（幾何畫板）。如圖2所示。

3、方法步驟

（1）安裝好平拋軌道，用水平尺檢測出口軌道是否水平；

（2）安裝好數(shù)碼相機(jī)（設(shè)定快門時間為1秒）及閃光燈（閃光頻率為20Hz，閃6次），調(diào)整好焦距；

（3）在斜軌上釋放小球，讓小球做平拋運(yùn)動；

（4）按下快門，閃光燈多次曝光，抓拍小球在空中運(yùn)動的圖像；

（5）重復(fù)步驟（3）和（4），選取一張效果最好的相片（小球剛好離開水平軌道）；

（6）將相片放在計算機(jī)的幾何畫板軟件中，套上網(wǎng)格線，分析做平拋運(yùn)動的小球在水平方向和豎直方向上的運(yùn)動特點。

4、實驗結(jié)果與結(jié)論

①從照片中可以很直觀地看到平拋運(yùn)動的軌跡，如圖3所示；

②經(jīng)過幾何畫板的網(wǎng)格分析可見：相鄰的兩個小球在水平方向距離幾乎相等，在豎直方向上的距離比基本滿足1：3：5：……的關(guān)系，如圖4所示。說明做平拋運(yùn)動的小球，在水平方向上做勻速直線運(yùn)動，在豎直方向上做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動。

5、實驗注意：

（1）數(shù)碼相機(jī)的鏡頭最好使用定焦鏡，這樣就能更容易照出清晰的小球；

（2）實驗中最重要的器材之一就是具有頻閃功能的閃光燈，實驗前可以調(diào)節(jié)不同的頻率多次拍照，設(shè)定自己認(rèn)為合適的閃光頻率和次數(shù)；

（3）如果直接對小鋼球進(jìn)行拍照，會使光滑銀色的小鋼球反光導(dǎo)致照出來的小鋼球變成一個個光點，實驗時最好將小鋼球涂成白色；

（4）因為閃光燈多次曝光，反光很強(qiáng)，最好在黑色的背景下進(jìn)行拍攝，比如用黑色棉布做背景，這樣才不至于反光太強(qiáng)，也能使相片中的小鋼球顯得更清晰。

三、討論與延伸

對于上述從實驗得出的結(jié)論，我們可以運(yùn)用牛頓運(yùn)動定律作出分析和解析。小鋼球離開水平軌道后，在水平方向（即初速度方向）上不受力，小鋼球由于慣性而做勻速直線運(yùn)動，速度等于平拋物體的初速度。在豎直方向上，小鋼球只受重力的作用，并且初速度為零，小鋼球做自由落體運(yùn)動。

綜上所述，我們可以得出如下結(jié)論：平拋運(yùn)動在水平方向上的分運(yùn)動是勻速直線運(yùn)動；在豎直方向上的分運(yùn)動是自由落體運(yùn)動。

這樣，我們就可以把比較復(fù)雜的平拋運(yùn)動分解為兩個簡單的直線運(yùn)動，從而使問題的研究大大地簡化了，學(xué)生掌握平拋運(yùn)動的特點也變得更加容易。

與傳統(tǒng)的平拋運(yùn)動演示儀相比，用數(shù)碼相機(jī)頻閃照相得出來的平拋運(yùn)動圖片，非常直觀，再用幾何畫板分析它的運(yùn)動特點，準(zhǔn)確明了，學(xué)生更容易理解和接受。雖然課本上有平拋運(yùn)動的頻閃照片，但是中學(xué)實驗室里面基本沒有這樣的儀器，學(xué)生也不是很明白頻閃照相是怎么回事，通過對新技術(shù)的應(yīng)用，利用一臺帶手動功能的數(shù)碼相機(jī)和具有頻閃功能的閃光燈，我們也很容易實現(xiàn)頻閃照相，將復(fù)雜的曲線運(yùn)動分解處理，使復(fù)雜的現(xiàn)象簡單明了，提高課堂效率。

在演示使用頻閃照相的過程中，我們可以抽一點時間來跟學(xué)生講解頻閃照相的原理，比如頻閃照相時閃光的時間間隔是固定的，它與打點計時器的效果有相同的地方，使學(xué)生以后面對有關(guān)頻閃問題時能夠從容面對。如果我們在照相的時候放上刻度尺，根據(jù)頻閃的頻率和兩個小球之間豎直方向的距離，可以計算平拋運(yùn)動在豎直方向上的加速度（即重力加速度g），如圖5所示。我們還可以更進(jìn)一步地在其它的實驗中實踐和探究使用頻閃照相技術(shù)，例如將頻閃照相技術(shù)應(yīng)用到牛頓第二定律的實驗中，代替打點計時器，可以完全消除因為紙帶與打點計時器間的摩擦帶來的影響。類似的應(yīng)用還有很多，這就需要我們物理教師在平時的教學(xué)活動中