问题驱动探究抛体运动规律

汤守平 谢玉荣

(江苏省天一中学 江苏 无锡 214101)

根据上一节的学习，我们知道：平抛运动可分解为水平方向匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动．它们真的按照这样的规律运动吗？你能否通过实验证实呢？

1 探究平抛运动在竖直方向的运动规律

研究问题：平抛运动在竖直方向是什么运动？

设计验证：引导性提问“你能否设计实验来验证？”

实验设计：学生提出、交流方案；集体讨论、修改完善，确定最佳设计；与现成仪器对比，借鉴优良设计．

分析结论：让两个物体同时开始运动，一个做自由落体运动，一个做平抛运动，看它们是否同时着地；同时落地则证实猜想．

生成性问题：如何判断两个小球是否同时落地？

分析讨论：学生有可能提出的方法(直接看；耳朵听；利用数码相机拍频闪照片.讨论采用哪种方法？课堂上听的方式最简单易行，所以用听的方式)

实验操作：学生代表利用平抛运动和自由落体运动对比演示仪验证猜想，如图1所示．

图1 平抛和自由落体运动演示仪

说明：验证平抛运动在竖直方向是自由落体运动的教学过程中，让学生参与实验设计、仪器选择的探究过程，激发了学生实验探究的动机和创造性思维的火花，培养了学生的设计探究能力和创新能力．

探究结论：平抛运动在竖直方向应是自由落体运动；采用方法为对比法．

2 探究平抛运动在水平方向的运动规律

研究问题：平抛运动在水平方向是匀速直线运动吗？如何研究证实？

讨论研究方向确定实验方案：学生讨论．(通过前面对比研究法的启发，加之教师引导，学生有可能讨论出：上述现象也可以通过对比实验或定量测量实验进行验证)

2.1 对比实验

即让两个小球同时以相同的速度开始运动，一个平抛，一个在水平面上匀速运动，看相同的时间内，水平方向位移是否相等；相等则证实猜想．

实验设计：学生提出、交流方案；集体讨论、修改完善，确定最佳设计.

方案：对比实验，将两个斜槽水平对齐，上下放置，如图2所示.用电磁铁控制两个小球同时开始运动，它们以相同大小的速度同时离开斜槽，上面的小球做平抛运动，下面的小球在水平轨道上做匀速直线运动，如图3所示.若它们在水平轨道上相碰，则验证猜想．

图2 小球离开两斜槽中 图3 定量测量实验

的平抛运动

选择实验器材并实验:

两个完全相同的斜槽，其中一个与规格相同的水平槽相接，两个小球，两个电磁铁(含导线和电源).

2.2 定量测量实验

师：让两个小球以相同的速度开始运动，如图3所示.在操作上有一定的困难，有没有其他办法来研究呢？

讨论分析：如果平抛运动水平方向是匀速的，那么它们水平位置应该是等距离间隔，所以可测出做平抛运动的物体在几段相等时间内的水平位移，依据水平位移是否相等来判断猜想是否正确．假设能画出平抛运动的轨迹，按照对水平方向规律的猜想，O，A，B，C点之间是等时间间隔，即运动的等时性．如图4.

生成问题：实验中物体平抛运动时间很短，如何测时间确定O，A，B，C点的位置呢？

生：前面我们已经得出了平抛运动的竖直分运动为自由落体运动，根据等时性原理我们知道，水平分运动和竖直分运动是同时发生的，所以可以通过竖直方向来找相等的时间间隔．

师：具体步骤如何?

图4 用于分析运动的图表

师：那么怎么描绘出轨迹呢？

选择实验器材设计实验方案:(投影出以下器材，用以下器材设计一个或多个实验来得到平抛运动的轨迹，给出足够的时间，分小组设计)斜面小槽，小钢球，粘了方格纸的木板，铅笔，数码照相机，带水平喷嘴的瓶子，玻璃板．

交流设计方案：设计同学介绍方案，其他同学进行质疑或提出改进建议．

说明：在讨论过程中，教师通过提问方式引导教学进程，学生则通过思考、发表见解来发挥其主体作用．

方案一：让小球从斜槽上滑下，从末端水平抛出，用数码相机拍摄频闪照片．用频闪照片记录小球所经过的多个位置，连起来就能得到小球做平抛运动的轨迹(图5)．

图5 用数码相机拍摄频闪照片

方案二：让水平喷出的细水流来显示平抛的运动轨迹，在水流后面竖直放置一块玻璃板，用彩笔描出水流的轨迹(图6)．

图6 水平喷出的细水流显示平抛运动

方案三：让小球每次从斜槽上同一高度滑下，从末端水平抛出，用铅笔描出小球经过的位置，通过多次实验，在竖直的背景方格纸上记录了小球所经过的多个位置，连起来就得到小球做平抛运动的轨迹．如图7所示．

图7 用铅笔和方格纸记录小球作平抛运动经历的位置

说明：学生进行实验设计时给定仪器，目的是为了设计方向更加明确，降低难度；方案三可以很好地培养学生的实验技能，所以可以由教师引导学生提出．学生可能还有其他方案，教师可以和学生一起进行分析评价．

2.3 分组实验

每小组选择方案(也可统一做方案三)，拿出事先准备好的仪器，学生进行实验．

说明：学生常出现的问题是背景板放置不够竖直；槽口末端没调水平；没有确定好抛出点；没有及时确定y轴等．实验操作前没有提醒学生，目的是增强学生的体验，培养学生的实验操作能力．出现失误的同学可以课后再做．

实验后投影以下问题，学生讨论回答：

(1)如何确保小球水平抛出？(小球在水平轨道的任一位置都能静止)

(2)悬挂在槽口的重锤线起什么作用？ ( 调整木板竖直；确定y轴)

(3)在斜槽上无初速释放小球的高度有什么要求？(适中；每次从同一位置释放)

(4)如何确定坐标原点O点(抛出点)？ (小球在槽口时球心在木板上的水平投影点)

(5)如何描点？

数据处理：

(1)描轨迹确定A，B，C的位置，判断水平方向是否是匀速运动？

师：获得了平抛运动的轨迹图像，现在我们从得到的几条轨迹中选出一条来进行研究．

学生根据事先确定的方法进行处理．在竖直坐标轴y轴上，从原点开始向下任取一个坐标为h的点，则在时间t,2t,3t内下落的高度分别为h,4h,9h，再找到坐标为h，4h，9h的点．在物体运动过程中，纵坐标从其中一个位置运动到下一个位置所用的时间都是相等的．过这些点作水平线与轨迹相交，交点就是每经相等时间物体所到达的位置．

过A，B，C等点作竖直线与横轴相交．可得到各点的水平位移x1，x2，x3等．测量x1，x2，x3等的大小．数码相机拍照的则直接根据频闪间隔相等确定时间．

(2)通过测量值来判断这条曲线是否真的是抛物线？学生阅读课本第13页讨论思考问题．

(3)为了求得抛体的初速度，还需测量什么量？进行怎样的计算？

探究结论交流评价

小组汇报实验情况，其他小组可进行补充．分析误差原因．

3 小结提高

本节内容重点应落实在“探究”上而不是“规律”上，课堂教学过程应以探究为主要线索；重视对学生方法的点拨．

本节课由于探究过程较多，与学生知识基础和动手能力有较大关联，课堂弹性较大，完成难度也比较大.教学过程中，教师要把握好节奏，创设情境、巧妙设问、恰当启发、适时引导，留给学生充分发挥想象的空间，对学生提出的研究方案，教师应给予必要的肯定，并帮助学生完善方案．

4 作业设计

【例1】图8为研究小球的平抛运动时拍摄的频闪照片的一部分，其背景是边长为5 cm的小方格，重力加速度g取10 m/s2.由图可知，小球从A点运动到B点经历的时间______(填“小于”、“等于”或“大于”)从B点运动到C点经历的时间；照相机的闪光频率为______Hz；小球抛出时的初速度大小为______m/s.

图8 平抛运动频闪照片(部分)

目的：改变数据条件(抛出点未知)来培养学生的数据处理方法，深化学生对描轨迹法研究平抛运动的方法的理解．

(a) (b)

(1)实验前应对实验装置反复调节，直到________．每次让小球从同一位置由静止释放，是为了____________．

(2)每次将B板向内侧平移距离d，是为了____________．

(3)在图9(b)中绘出小球做平抛运动的轨迹．

目的：改变实验方法，深化学生对平抛运动运动的理解．

【例3】在“探究平抛运动的规律”的实验中，某同学在建立直角坐标系时，有一处失误，假设他在安装实验装置和进行其他操作时准确无误．

(1)观察图10可知，他的失误之处是________.

图10 某学生设计实验中建立的直角坐标系

(2)他根据记录建立坐标系，运用教学实验原理测得的平抛初速度值与其真实值相比________(选填“偏大”、“相等”或“偏小”)．

目的：加强学生对实验操作步骤及注意事项的理解．

本节课直接由上一节理论分析入手，采用“问题驱动引导探究”模式教学，引导学生设计实验，并利用现成的简易实验探究，从而使学生能仔细观察、认真分析平抛运动，得出其运动的规律.

用该类模式教学，让学生在获取知识的同时，亲身体验科学探究过程，了解科学研究的方法，培养实验探究能力和交流协作能力.