对一道平抛实验题的商榷

文 李胜强

对一道平抛实验题的商榷

文 李胜强

小明为了研究小球的平抛运动，把实验桌搬到墙的附近，使从水平桌面上滚下的钢球能打在墙上，把白纸和复写纸附在墙上，记录钢球的落点，如图1所示。四次实验中桌边沿离墙的水平距离分别为20 cm，30 cm，40 cm，50 cm；在白纸上记录的落点分别为A，B，C，D，量出B，C，D到A点的距离分别为2.50 cm，7.50 cm，15.00 cm，如图2所示。重力加速度g取10 m/s2。请回答：

（1）小明每次实验时应将钢球在斜槽上的______（选填“相同”或“不同”）位置由静止释放。

（2）钢球水平抛出时的速度为 ________ m/s，击中C点时竖直方向速度的大小为 __________ m/s。

（3）有人用同样的方法做实验时，发现打在墙上的落点不在同一条竖直线上，则实验操作过程中可能出现的问题是 __________ 。

本题是盐城市2015届高三年级第一学期期中考试物理试题中的一道力学实验题，命题素材源于课本，但命题立意又高于课本，是一道颇有新意、质量上乘的力学实验题。本题侧重考查学生对平抛运动的研究方法（运动的合成与分解）的理解和应用，本题的难点是实验数据的处理。要求学生能正确理解题干中“四次实验中桌边沿离墙的水平距离分别为20 cm，30 cm，40 cm，50 cm”和“在白纸上记录的落点分别为A，B，C，D，量出B，C，D到A点的距离分别为2.50 cm，7.50 cm，15.00 cm”这两大组数据的物理意义和处理数据的技巧。

第（1）问考查对平抛实验过程的理解，每次实验时都应将钢球在斜槽上的相同位置由静止释放，只有这样才能理论确保钢球离开斜槽轨道时的初速度是相等的，有了这个实验前提才更有利于进一步研究平抛运动的物理规律。这一问考查做实验过程中的细节处理，学生基本上都能正确解答。

第（2）问考查对实验过程的理解和实验数据的处理能力。由题干“四次实验中桌边沿离墙的水平距离分别为20 cm，30 cm，40 cm，50 cm”可知每次向后移动的距离是10 cm，而平抛运动水平方向上是匀速直线运动，故可得白纸上记录的落点A，B，C，D这四个点间的时间间隔是相等的，抓住这一重要信息乙图中呈现出的落点的分布规律可与打点计时器的工作原理联系，只要学生能深刻理解这一隐含信息（时间间隔是相等的），利用竖直方向自由落体运动的规律，结合物理公式Δy=gT2（其中Δy=2.5cm）即可求解出时间间隔T（T=0.05s），这也是本题的突破口，再结合水平移动的规律Δx=V0T求解V0的值，本问还考查了利用极限和替代的物理思想解决瞬时速度的计算问题。总之，第（2）问计算量不大，但对于数据的处理和实验过程的理解是个难点，需要学生有类比思想和等效替代的思维。

第（3）问考查学生对实验的误差分析以及改进措施的评价能力，此问具有开放性，答案也不拘一格，只要合理就给分，既考查学生开放的思维有考查学生语言组织能力。第（3）问的关键是对平抛运动的初速度方向的调控问题以及影响其变化的可能因素的思考，这与第（1）问对平抛运动的初速度的大小的要求又是相呼应的。第（3）问难度不大，基本上都能得分。

在原题中，若将实验桌移动到距离墙10 cm处重复实验，则钢球一定会落到A点的上方某处（此位置命名为O2），若再将实验桌向右移动10 cm则此时钢球恰好与墙接触（此位置命名为O1），即在原题乙的A点的上方还有两个点（O1和O2） 未画出。结合本题时间间隔T=0.05 s，根据竖直方向上的自由落体运动学公式h=1/2gt2可理论计算出O1O2间距离是1.25 cm，O1A间距离是5 cm，O1B间距离是11.25 cm，O1C间距离是20 cm，O1D间距离是31.25 cm，故B，C，D到A点的距离分别为6.25 cm，15 cm，26.25 cm，而不是原题中的“量出B，C，D到A点的距离分别为2.50 cm，7.50 cm，15.00 cm”，即使命题者考虑平抛运动过程中阻力的影响，笔者认为原题“量出B，C，D到A点的距离分别为2.50 cm，7.50 cm，15.00 cm”这一说法欠妥。这些数据不符合平抛运动的规律，经不起理论推敲，笔者认为该实验数据具有科学性错误。命题者没有在充分尊重科学实验的前提下命制物理试题的数据，笔者猜测命题者可能基于学生计算的方便和考试考查学生物理知识和物理能力的需要特意给出的假想的理想数据，而这种假象的理想数据只是停留在纸上谈兵且脱离了物理实验的本质。命题人这样做虽然并不影响学生对本题的理解和处理对应速度及时间的计算，但对物理工作者求真务实的追求和实事求是的态度是一种否认和误导。鉴于此笔者认为一切要从事实出发，物理实验题的考查更应尊重真实的实验数据，在考查学生知识和能力的同时也要给学生正确的科学观的引导，不能为了考试而考试，更不能为了考查学生的能力践踏了物理人追求真善美的美好意愿。如果将实验数据改为“B，C，D 到A点的距离分别为6.25 cm，15 cm，26.25 cm”那么第（2）问“钢球水平抛出时的速度”不受实验数据改变的影响，但“击中C点时竖直方向速度的大小”将与原题数据所计算的答案不同。

综上所述，在高中物理教学过程中，不仅要求学生利用所掌握的物理知识解决物理和生活中的问题，也要培养学生实事求是的精神和求真务实的态度，同时还要培养学生的批判性物理思维，一定不能一味地相信参考答案和迷信老师的所谓权威，要引导学生勇于挑战权威，善于用批判性的眼光看世界，只有这样中国才会有未来，人类才会进步，物理学的发展才能向前更进一步。

小明为了研究小球的平抛运动，把实验桌搬到墙的附近，使从水平桌面上滚下的钢球能打在墙上，把白纸和复写纸附在墙上，记录钢球的落点，如图3所示。四次实验中桌边沿离墙的水平距离分别为20 cm ，40 cm，60 cm，80 cm；在白纸上记录的落点分别为A，B，C，D，量出B，C，D到A点的距离分别为15 cm，40 cm，75 cm，如图4所示。重力加速度g取10 m/s2。请回答：

（1）钢球水平抛出时的速度为_________ m/s，击中D点时竖直方向速度的大小为 __________ m/s。

（2）假设不考虑钢球运动过程中的一切阻力的作用，那么每次实验时静止释放钢球时钢球距离桌面的高度为 ______________ m。

（3）假如用上述实验装置验证机械能守恒定律，请你设计一个实验方案完成实验。写出简要的过程及物理公式。

参考答案:

（1）钢球水平抛出时的速度为 2.0 m/s，击中D点时竖直方向速度的大小为 4.0 m/s。

（2）0.2 m。

（3）略。

李胜强，本科，中教一级。江苏省郑集高级中学城区学校，221116