现有平抛运动实验装置改进方案的分析

现有平抛运动实验装置改进方案的分析

李扬

贵州师范大学 550025

摘要：平抛运动实验可以让学生深入理解平抛运动的特点，对科学探究和科学思维能力的培养有重要意义。该实验的难点在于让学生直观感受小球的运动轨迹，因此实验装置的改进需从直观展示小球的运动轨迹入手。现有平抛运动实验装置改进方案主要有利用软件处理小球运动轨迹、自制实验装置展示运动轨迹和改进平抛运动演示仪三类。分析三类改进方案各自的优缺点，在此基础上提出个人对平抛运动实验装置改进的思考。

关键词：平抛运动；物理实验；实验改进；

1. 平抛运动演示仪

平抛运动是高中物理课程中的重要知识内容，该部分内容的学习有利于深化学生对运动的合成与分解的理解。从核心素养的角度看，平抛运动实验对培养学生的科学探究和科学思维能力有重要意义，因此研究平抛运动实验是必要的。

1.1.平抛运动演示仪的构成及原理

平抛运动演示仪由底座、竖直固定杆、斜槽、背板和挡板构成，如图一所示。该装置的原理为同一起点的小球，通过改变其下落高度从而得到多个下落点，用平滑曲线将这些点连接起来，最后进行数据处理。

1.2.平抛运动演示仪的优点

该装置的优点有如下几点：其一是装置的结构简单且材料获取难度较低，对于部分实验条件较为落后的学校，教师可以购买材料自行组装；其二是步骤较少、便于操作，对比利用计算机软件辅助的实验装置，只需要控制挡板的高度，多次释放小球并记录小球的落点便可；其三是该装置从平抛运动的特点出发进行设计，没有用复杂的高精度和高科技仪器，留给学生思考和想象的空间，有利于培养学生的科学思维和科学探究能力。

1.3.平抛运动演示仪的不足

平抛运动实验的难点是如何让学生直观认识小球做平抛运动的轨迹是抛物线。学生对运动轨迹有直观认识和了解，学生对平抛运动的特点就容易接受。从平抛运动实验演示仪的原理来看，小球从斜槽滑落到挡板，每次只能在挡板下留下一个点，调整挡板高度多次释放小球就能获得多个点，再将点进行连接得到小球的运动轨迹。平抛运动演示仪的不足在于小球的轨迹无法让学生直观感受，无法有效提高平抛运动的教学效果。

2. 现有平抛运动实验装置改进方案

2.1.利用电子设备获取轨迹

现代信息技术的发展为课堂教学提供了更多的手段[1]。科学技术的发展带动了教学的进步，多媒体设备使教学手段更加丰富。平抛运动实验的目的是让学生通过实验获得小球下落的运动轨迹，对数据进行处理得出平抛运动的特点。平抛运动演示仪不能让学生直观认识小球的下落轨迹是抛物线，原因是人眼无法定格每一秒的动作。因此，研究者就利用具有拍照和录像功能的设备对小球下落轨迹进行记录，以此让学生直观认识到小球下落轨迹是抛物线。

利用手机的慢动作摄影功能，能够在课堂上对平抛运动的运动过程进行清晰的观察[2]。使用平抛运动演示仪，用手机慢动作摄影对小球的多次下落进行记录，而后将得到的图片进行处理，清晰展现出小球的下落轨迹。整个实验过程分为三个部分，首先是用手机记录小球下落的轨迹，其次是对所得照片进行合成处理，最后是进行数据的处理得出小球平抛运动的特点。

2.2.自制实验装置直观展示轨迹

手机慢动作摄影和Tracker软件都是对小球运动轨迹的捕捉，本质上和平抛运动演示仪获取轨迹的原理相似。由于平抛运动实验中小球的位置随时间不断变化，且每次只有一个小球在运动。假设有多个小球不断从起点释放，小球的运动轨迹就变得直观清晰。基于此，有的研究者提出利用液体的特性来进行平抛运动实验。

选用一股细小的连续的水流平抛代替小球平抛，较好地呈现平抛状态[3]。目前有两种利用水流来进行平抛运动实验的方案。第一种的方案所需材料有水瓶、L型空心管和橡皮塞，橡皮塞开孔后将空心管插入，然后用橡皮塞堵住水瓶开口。往水瓶里加水，水会通过L型空心管流出，水的运动是平抛运动。第二种方案比第一种方案多了水的回收利用装置，通过抽水设备将水重复利用，省去反复加水的过程。

2.3.平抛运动演示仪的改进

平抛运动演示仪的不足主要体现在不能直观展示小球的运动轨迹，因而对平抛运动演示仪改进的主要方向是如何使其能够直观展现小球做平抛运动的轨迹。要想直观展示小球的运动轨迹，只能从小球和背板的交互入手。

3. 现有改进方案的优缺点

3.1.现有改进方案的优点

利用手机慢动作摄影和Tracker软件获取小球运动轨迹这类改进方案，其优点有：（1）小球做平抛运动的轨迹较为直观。虽然也是间接获取的小球运动轨迹，但相比于平抛运动演示仪通过落点描绘运动轨迹的方式，学生更容易接受。（2）实验器材容易获取。现今手机和计算机都已普及，Tracker软件网上也有相关教程，学生可以在课外进行实验。

用水代替小球进行平抛运动的这类改进方案，其优点有：（1）水连续不断的平抛运动的轨迹十分直观，有利于学生深入了解平抛运动的特点。（2）实验装置的构成十分简单且材料容易获取，学生可以根据原理进行制作，提高学生动手实践能力。

用颜料显示轨迹和利用电磁感应原理显示轨迹这类改进方案，其优点有：（1）得到的运动轨迹是平滑的曲线而不是点，直观展示物体做平抛运动的轨迹。（2）没有间接测量，得到的小球运动轨迹更具有说服力，所得结论学生更容易接受。

3.2.现有改进方案的不足

利用手机和软件这类改进方案，其不足之处在不能让学生直接通过小球下落的过程观察到平抛运动的轨迹是抛物线，需要利用软件进行图片的转化，是间接得到的小球下落的运动轨迹，学生难以从心底接受。

用水代替小球这类改进方案，其不足之处在无法获取水流的轨迹。虽然这类方案可以让学生很直观的观察到水做平抛运动的轨迹是抛物线，但是无法获取轨迹的信息，因而无法进行定量的数据分析，无法得出平抛运动的特点。

4. 对平抛运动装置改进的思考

通过上述分析，平抛运动实验的改进有两个重要的切入点。其一是改进后的实验能够直观的展示小球下落的运动轨迹，让学生可以通过对实验的观察认识到平抛运动的运动轨迹为抛物线；其二是改进后的实验所得轨迹必须能够获取相应的实验数据，能够进行定量的数据处理，让学生可以通过对数据的处理了解到平抛运动的特点。

基于以上三种改进方案，提出个人对平抛运动实验装置的改进思路。受到生活中常见的儿童磁性画板的启发，磁力的产生并不需要两个磁体相互接触。磁性画板的原理是装有磁铁的磁性笔与画板接触，通过磁力将画板背面的磁粉吸附到画板上从而显现痕迹。以平抛运动演示仪为基础，将小球换成强磁性小球，将背板换成磁性画板，所有铁制品换位铝制品。小球从斜槽滑下做平抛运动，由于磁力的作用，强磁性小球吸附磁性画板背面的磁粉，使得小球的下落轨迹得以显现。磁性背板可以用中性笔画出规范网格，小球的下落轨迹在规范网格中显示，取下磁性画板便可对轨迹进行定量的数据处理，得出平抛运动的特点。这样的装置满足了直观展示小球下落的轨迹的要求，且轨迹可以进行定量的分析处理，且磁性画板和强磁性小球价格便宜，因此该实验改进方案具有可行性。

参考文献

[1]陈晓虎.利用Tracker软件替代频闪照相技术研究物体的运动——以“平抛运动”实验的教学为例[J].湖南中学物理,2022,37(07):62-64+49.

[2]梁振华.平抛运动实验探究的改进与创新[J].物理通报,2021(S2):109-111.

[3]石勇.平抛运动实验装置的新改进[J].物理教学探讨,2020,38(09):45-46.