让物理实验充满研究的乐趣——以“实验：研究平抛运动”的教学为例

孙 策

(慈溪市慈中书院 浙江 宁波 315300)

“实验:研究平抛运动”这节课旨在借助实验从定量角度对平抛运动做进一步研究，帮助学生建立起理论推导与物理现实之间的联系.因此，教材为学生提供了3种定量研究平抛运动的参考案例[1]，绝大多数教师只重点讲了参考案例一，还有些教师会对后面两个参考案例做一些简略的介绍.虽然知道参考案例一后，学生完成一些题目基本不成问题了，但是却不利于学生的动手操作能力、实验设计能力以及创新能力等方面的提高.物理实验及其教学是中学物理教学的重要组成部分，物理教学的本源就是实验教学.高中物理课程标准也对实验教学提出了相关要求[2].(1)传统常规实验：教师应积极开发适合教学的实验资源，并充分利用这些实验资源开展实验；(2)低成本实验：提倡使用身边随手可得的普通物品或工具来设计物理实验；(3)设计探究性实验：鼓励教师设计感知体验的实验，帮助学生形成概念或规律.因此，一旦有机会可以有多种方案来研究同一个物理规律时，我们绝对不能轻易放过，至少应该再去深入研究一种方案，以开阔学生的眼界，发展学生的思维.其实参考案例二水柱法研究平抛运动是一个绝佳的案例，只要教师自己能亲自动手搜集相关实验器材，认真设计探究性实验，从该参考案例的引入、改进、完善,最后动手操作，一步步带领学生不断发现实验设计中的问题，不断提出改进方案，和学生一起体验实验探究中的酸甜苦辣,这样的一堂课下来，相信学生定会对物理实验产生浓厚的兴趣和满满的爱意.基于以上原因，笔者以教材中的参考案例二为基础，设计了“水柱法研究平抛运动”的教学案例.

1 教材分析

本节课是在前一节“平抛运动”的基础上，借助实验对平抛运动规律的进一步探究.教材首先提出了如何判断平抛物体的运动轨迹是否为抛物线，如何计算平抛物体的初速度，并给出了3种得到平抛运动轨迹的实验方案.本教学设计以教材中的参考案例二为基础，用水柱法来研究平抛运动.

2 教学目标

2.1 知识与技能

(1)会用水柱法实验获得平抛运动的轨迹；

(2)会判断运动轨迹是否为抛物线；

(3)会推导平抛初速度的表达式，会计算平抛运动的初速度.

2.2 过程与方法

(1)通过学生自主设计实验，体会物理问题的探究思想和实验设计思想，了解设计实验的基本方法；

(2)通过动手实验探究过程，体验科学研究的一般方法.

2.3 情感态度与价值观

(1)使学生认识到生活中处处有物理现象，物理与生活息息相关,增加学生对物理学科的亲切感,激发他们学习物理的兴趣；

(2)通过提供实验器材，让学生设计实验，动手做实验，亲身感受物理实验的乐趣.

3 教学过程

3.1 确定描绘平抛运动轨迹的方法

师:上节课我们学习了平抛运动，那么平抛运动有什么特点？

生甲：水平方向上做匀速直线运动，竖直方向上做自由落体运动.

生乙：运动轨迹是一条抛物线.

师：在忽略空气阻力的情况下，生活中有哪些常见的平抛运动呢？请同学们举例说明.

学生举例：掷飞镖比赛、愤怒的小鸟真人版.

师：这节课我们就要利用学过的平抛运动的理论知识，通过具体的实验定量研究平抛运动的特点.但是平抛运动在空中转瞬即逝，优美的曲线随即成为历史，没有留下什么具体的可供操作的东西，若要详尽研究平抛运动的特点，必须先得到其运动轨迹. 我们如何得到平抛物体的运动轨迹？

生：记录下做平抛运动的物体经过的位置，然后把这些位置用光滑的曲线连起来，就得到平抛运动的轨迹了.

师：由于飞镖或者小鸟的运动轨迹转瞬即逝，要记录不同时刻物体的位置存在较大的困难.那还有什么生活中的例子，它能更加直观地显示平抛运动的轨迹，使描迹变得容易.

生：用液体代替固体做平抛运动.

师：由于水具有流动性和连续性的特点，能在空中直观地显示出平抛运动的轨迹，因此可以在连续流动的液体上“描迹”.

3.2 实验方案设计

3.2.1 获得持续做平抛运动的细水柱

师：请设计实验方案，用某种器材实现水做平抛运动，最好是生活中常见的物品，这样方便取材.下面请同学们分组讨论，一会儿请同学汇报讨论结果.

生：饮料瓶底端处扎个小孔.

实验1：先在饮料瓶里装好红墨水并拧紧瓶盖，然后将其放在升降台上(图1)，用加热好的电烙铁在瓶上扎一小孔，发现刚开始有水喷出，但很快水又停止流出.由于该实验喷出细水柱的时间很短，可再用视频慢镜头播放一遍.

师：瓶子里明明还有很多水，为什么不再流出来了呢？杨振宁说过，现象是物理学的根源．我们应该重视对物理现象的研究.而现在就有一个源于生活的原汁原味的物理现象呈现在我们面前，我们就要抓住机会，进行深入的研究.同学们想想看，水是否流出来，关键原因是什么？

图1 饮料瓶装置

生：小孔内外的压强.

图2 压强模型

师：原始物理问题抽象成液体压强模型(图2).假设瓶内气压为p内，底端出水口B处的压强为pB，大气压强p0,则底部压强pB=p内+ρgh.由于瓶盖是装好水后拧上的，瓶内空气的压强为大气压强p0.因此出水口B处的压强大于大气压强p0,则B孔出水.

师：那为什么很快又不出水了呢？

生：随着B孔出水，气体体积增大，瓶内气体压强减小，液面距B孔的距离h减小， 直到pB=p内+ρgh=p0，则B孔停止出水.

师：该实验不能获得持续喷出的细水柱，就无法描绘平抛运动的轨迹，怎么实现从小孔中持续喷出细水柱呢？

实验2：用加热好的电烙铁在瓶盖上再扎一小孔，细水柱从小孔B处持续喷出.然后用海绵胶封住瓶盖上的小孔，水又停止流出.

师：讨论下这次实验成功的原因是什么？

生：瓶内气体压强为大气压强p0,pB=p0+ρgh，pB始终大于p0，则B孔持续出水.

3.2.2 获得持续且稳定做平抛运动的细水柱

师：要描绘细水柱平抛运动的轨迹，需要什么样的细水柱.

生：持续且稳定喷出的细水柱，否则描的点不是同一条轨迹上的.

师：现在这个设计的实验方案，能喷出持续且稳定的细水柱吗？

实验3：撕掉刚才瓶盖上的海绵胶，再次观察实验现象，细水柱平抛的水平距离变小了，轨迹并不是一条稳定的抛物线(图3).

图3 饮料瓶装置

师：为什么细水柱的轨迹发生了变化.

生：底端小孔B处的压强随着液面的下降在不断减小.

图4 玻璃瓶装置

师：如何获取持续且稳定喷出的细水柱？下面进行实验方案的改进(图4).

师：改进后的玻璃瓶装置能喷出持续且稳定的细水柱吗？

生：随着液面的下降，喷嘴处的压强减小，是不稳定的细水柱.

师：该装置的液面高度变化会影响到喷嘴处的压强.那该如何解决这个问题呢？请同学们相互讨论一下.

生：把直玻璃管上端浸入液面以下.

师：图5中，直玻璃管A管口与大气相通，压强为大气压强，两管口高度差h不随液面高度的变化而变化，因此B处能喷出持续且稳定的细水柱.

图5 细水柱发生装置

3.3 验证实验方案 完善实验方案

3.3.1 观察细水柱发生装置的实际工作情况

教师实物投影展示细水柱发生装置(图6)，并做仪器的介绍.为了控制水流，在直玻璃管竖直端加接了一段乳胶管，并用止水夹夹住.

图6 细水柱发生装置实物

实验4：教师演示实验，可看到喷出的细水柱在空中不断抖动，非常不稳定(图7).

图7 不稳定的细水柱

3.3.2 改进细水柱发生装置

师：关于压强的理论有问题？还是实验器材存在缺陷？同学们接着讨论.

生：从直玻璃管管口出来的气泡还不够连续，导致管口的压强不稳定，从而使喷嘴处的压强发生了变化，喷出了抖动的细水柱.

师：非常精彩的分析.玻璃管的内径为4 mm，还不够细，导致出来的气泡大而且不连续.因此可以在直玻璃管管口加接一段内径为0.5 mm的钝口针管作为进气口(图8).

图8 钝口针管作为进气口

实验5：教师再次演示实验，比较装置改进前后进气口处气泡的连续程度以及细水柱的稳定情况(图9).

图9 装置改进前后比较

师：从实验现象中能明显观察到钝口针管中出来的气泡更小更连续，喷出的细水柱持续且稳定.

3.4 描点坐标装置

3.4.1 底座

本实验底座选用了J2154型平抛运动实验器的底座，保留了原底座上的两根竖直金属杆，该底座四角有调平螺栓，可调竖直和水平，用海绵胶将规格为30×40 cm的白板粘在两竖直金属杆上,图10(a)为背面，(b)为正面.

图10 底座

3.4.2 坐标纸

由于本实验是用细水柱做平抛运动显示轨迹，普通的坐标纸容易溅到水后而损坏.因此，可采用工程制图中常用的最小刻度为1 mm的半透明状的硫酸坐标纸(图11).它对水的渗透具有较强的抵抗力.硫酸坐标纸的规格有很多，可以根据实验的需求自行裁剪.

图11 半透明硫酸坐标纸

3.5 分组实验及操作过程

(1)在玻璃瓶内装入适量清水，用插有两根玻璃管的橡胶塞塞住瓶口.然后让两玻璃管穿过铁圈的狭缝，将玻璃瓶倒置于铁架台上(图12).

图12 操作步骤(1)

(2)用夹子将坐标纸固定在白板上，让重锤线通过坐标纸上的坐标原点O，然后用夹子将重锤线固定在坐标纸上(图13).

图13 操作步骤(2)

(3)调整调平螺栓，使重锤线与坐标纸的左侧竖直线重合.确定左侧竖直线为y轴，过坐标原点O且与y轴垂直的水平线为x轴(图14).

图14 操作步骤(3)

(4)保持底座不动，移动铁架台，将出水口在坐标纸上的水平投影点置于坐标纸的原点O，并利用三角板使喷嘴口的切线方向与重锤线成直角.注意喷嘴不要贴在坐标纸上，留出约0.5 cm的距离，尽量不让水溅在坐标纸上(图15).

图15 操作步骤(4)

(5)打开止水夹，使水从喷嘴流出，待细水柱稳定后用铅笔沿着细水柱在坐标纸上描下若干点(图16).

图16 操作步骤(5)

注意：描点时视线要对准细水柱且与白板垂直，在细水柱的正背面描点；描点时铅笔不能挡住细水柱；由于空气阻力等因素，细水柱末端发散了，因此取离喷嘴口较近的一段曲线研究(图17).

图17 描点展示

(6)取下坐标纸，剔除偏离抛物线较远的点，用光滑曲线拟合其余的点(图18).

图18 操作步骤(6)

3.6 数据处理

教师在展台上展示几组学生们描绘的平抛运动的轨迹，并提出以下两个问题：

(1)如何利用已经描绘的轨迹图来验证平抛运动的轨迹是抛物线？

(2)计算平抛运动的初速度.

根据已经描绘的平抛运动的轨迹，课外完成学案中表格(表1)的填写并得出相关结论.

表1 实验数据记录 查得当地g=______m/s2

4 教学感想

探究性实验的功能不仅仅是通过实验得出规律，更重要的在于根据实验目的怎样设计实验,并在实验中发现问题、解决问题、不断完善实验，改变只注重物理知识和结论而忽视探究过程的教学.在探究性实验的设计过程中，往往由于没有成熟的实验方案，根据理论知识设计的初步方案在具体的实践中，往往在细节上会出现意想不到的问题.比如说，本实验中由于直玻璃管管口内径的因素，导致理论上应该是喷出持续稳定的细水柱，结果看到的却是不断抖动的细水柱.这种与理论存在直接冲突的实际的物理现象是非常珍贵的.在解决这种问题的过程中，一定能发展学生的观察能力、质疑能力、思考能力，以及严谨求实的科学精神.如果哪天发现实验现象 “说谎”了，那么学生就又有机会体验研究物理实验的乐趣了.

1 人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心．普通高中课程标准实验教科书 物理·必修2(第3版)．北京：人民教育出版社，2010.13～15

2 中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准(实验)．北京：人民教育出版社，2003