中学物理教学中运用传感器测定平抛运动轨迹的探索与实践

任金宏

（天津市海河中学 天津 300201）

世界范围内综合国力的竞争关键在于科学技术，培养人才是基础，科技进步和创新是增强综合国力的决定性因素。“科学技术是第一生产力”，这句话充分阐释了科学技术对一个国家、一个民族的重要性。科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，而普及科学知识、弘扬科学精神、传播科学思想、倡导科学方法要突出青少年这个重点，让科技教育贯穿青少年成长成才各阶段。“少年智则国智，少年富则国富，少年强则国强，少年独立则国独立，少年自由则国自由少年进步则国进步，少年胜于欧洲则国胜于欧洲，少年雄于地球则国雄于地球。”［1］

科技教育旨在提高青少年的科学素质，培养青少年独立思考、创新思维的能力，引导他们关注周围环境并增强社会责任感。

1 科技教育的重要性

1.1 实施科教兴国战略和人才强国战略的需要

党的二十大报告提出，“教育、科技、人才是全面建设社会主义现代化国家的基础性、战略性支撑。”同时提到，“坚持以人民为中心发展教育，加快建设高质量教育体系，发展素质教育，促进教育公平。”2022年4月发布的《义务教育科学课程（2022年版）》提出了“科学观念、科学思维、探究实践、责任态度”四大素养新目标，其中“探究实践”意指“科学探究”和“技术与工程实践”。业内专家认为，在我国推进教育现代化发展进程中，特别是在当前国际格局重塑背景之下，素质教育，尤其是科学教育的重要性愈加凸显，需要社会多元力量的进一步推动。

因此，加强青少年科技教育和坚持育人为本是深入实施科教兴国战略和人才强国战略、充分发挥科技第一生产力和人才第一资源作用、提高教育现代化水平的战略需求，是实现我国从人口资源大国向人力资源强国转变的需要。

1.2 创建创新型城市的需要

加强青少年科技教育是一个城市发展的需要。一个城市要实现经济发展方式的快速转变和完成跨越式高水平发展，关键在人才，基础在教育。只有牢牢把握教育优先发展的根本大计，坚持育人为本，才能有力提升城市的自主创新能力，才能推动城市的产业结构优化升级，才能实现创新型城市建设。

青少年科技教育的实施是为了持续推进素质教育，坚持以人为本，践行科学发展观，以提高学生的综合实践素质和科技素养为目标和核心理念，其宗旨与城市发展战略有异曲同工之妙。

1.3 教育改革与内涵发展的需要

基础教育发展的出路在改革、在创新，发展的关键在于质量的提升。科技教育是实现教育内涵发展的有效途径之一。实施中小学科技教育，坚持以人为本提升学生科学素养，丰富学校的教学形态，优化课程结构，给学校和教师营造自主发展的空间，给学校共识的信念和核心价值提供有形的载体，满足学生多样化的发展需要。

1.4 创新人才培养的需要

创新是民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力，尤其在21世纪知识经济时代。联合国教科文组织已将人的开拓、创新能力视为面对未来的三张通行证之一。加强对创新人才的培养成为大多数国家教育的使命。以强调探究为主要特征的科技教育对创新人才的成长起着巨大的不可替代的作用。

科技教育是提高青少年素质的重要途径，是现代教育的核心，这不仅能使青少年获得未来生活所需要的知识与技能，更重要的是获得科学思想、科学精神、科学态度及科学方法的熏陶和培养。科技教育能让广大青少年树立这样一个牢固的信念：科学总是在寻求、发现和了解世界的真相，总是在研究和掌握新规律，它是创造性的，它又是在不懈地追求真理，需要我们不断地努力奋斗。

2 结合平抛运动轨迹测定实验探索科技教育途径

2.1 实验器材

平抛运动演示器、小球、光电门、振动传感器、计算机（图1）。

图1 运用传感器描述平抛运动轨迹实验器材Fig.1 Experimental equipment of using sensors to describe flat throwing motion trajectory

2.2 实验教学目标

①通过传感器得到平抛运动的轨迹，知道平抛运动的条件及相应控制方法；确定多个点，会拟合平抛运动的轨迹。

②根据平抛运动的轨迹、初速度及轨迹方程判断计算机拟合的图像是否为抛物线。

③通过计算机探究平抛运动特点的实验，了解科学探究中获取及处理数据的方法。

2.3 实验原理中改变传感器测量不同物理量

教材中应用超声波和红外传感器做此实验（图2），学生不能很好地理解测得轨迹的方法。新的实验方法克服了这些不足，用光电门、振动传感器来获取数据，学生好理解，并能够亲身感受计算机获取数据和处理数据的方法［2］。

2.4 实验原理

①利用传感器轨迹法得到小球运动的轨迹。让小球从水平轨道抛出，用光电门测量出小球通过光电门的时间t1和通过振动传感器测出从抛出到落地的飞行时间t2。由小球直径（挡光宽度）和t1可以得到速度v0，由于光电门设置在水平轨迹的出口处，所以v0就是抛出的水平初速度。抛出点的高度h和着地点的水平位移x由人工测量得出。

通过比较x与、飞行时间与的大小，可以得到平抛运动的规律。通过观察、比较落地点，可以得到平抛运动物体的轨迹。

③如果轨迹上各点的y坐标与x坐标间的关系具有的形式（a是一个常数），则轨迹是一条抛物线。

2.5 实验过程中运用计算机进行拟合数据图像

2.5.1 实验教学内容

计算机通过光电门传感器测得水平初速度，通过振动传感器测得落地时间。输入抛出点的高度和落地点的水平距离，计算机自动得到轨迹点。改变抛出点的高度可得到平抛轨迹，再进行拟合，分析初速度和轨迹方程。

2.5.2 实验教学过程

①按照装置图装好器材。点按光电门传感器上的置零按钮，选用飞行时间模式（使U、I－U－I 两个指示灯同时亮）。调整飞行时间板与水平刻度线持平。在水平位移记录纸标出水平零点。

②光电门清零，点击“开始”按钮，从轨道释放小球。小球落地时点击“结束”按钮，结束本次采集。

③由飞行时间板上表面所对应的刻度得出抛出点高度。在水平位移记录纸上读出x值（对着地点作一标记，以避免与下次混淆）。

④把人工测量的高度、水平位移移入相应的框内，再点击一下页面上方的“重新计算”按钮。

⑤改变飞行时间板的高度，重复步骤②~④，采集第二组数据。

⑥改变飞行时间板的高度，共采集5~7组数据。

⑦在下面数据处理表中，将初速度和横坐标x值代入平抛运动轨迹方程，求得纵坐标y值，再和计算机通过运算拟合图像中测得的y值做比较来分析实验数据。如方程和图像中y值相同，则图像是抛物线（图3）。

图3 计算机拟合出的平抛运动轨迹图像Fig.3 Image of flat throwing motion trajectory fitted by computer

在运动轨迹页面内，观察平抛落地点位置，得到平抛运动的轨迹。在实验结果分析页中，还可以对轨迹进行抛物线（二次多项式）的拟合，然后分析轨迹方程。

2.6 数据处理方法

数据处理方法为填表统计（表1）。

表1 平抛运动轨迹填入表格数据Tab.1 Table data of flat throwing motion trajectory

通过对比平抛运动轨迹方程和计算机从理论上推得的拟合图像，说明抛物线是平抛运动的轨迹。

3 实验注意事项和效果评价

3.1 注意事项

斜槽安装，实验中必须保证通过斜槽末端点水平。应在斜槽上适当位置释放小球，使它以适当的初速度水平抛出，其轨迹要落在下面刻度板上。小球必须每次从斜槽上同一位置由静止开始滚下，为此，小球须吸在电磁铁同一位置。

3.2 实验效果评价

通过分析轨迹方程和图像，得到计算机拟合成的轨迹是一条抛物线。实验轨迹方程得到的抛物线可能不过原点，原因可能是：抛出点和落地点读数造成的误差和小球所放在位置存在误差。每次小球下落的初速度都略有不同，可能是小球不在同一位置释放造成的误差。

3.3 方法优势

运用光电门和振动传感器直接在计算机上测得小球在不同高度的轨迹点，并在计算机上直接表示出来。对轨迹点进行拟合，得到平抛运动轨迹。

①传感器直接或间接测出平抛运动的物理量。平抛运动可以分解为水平方向和竖直方向的运动，而水平运动的初速度和竖直方向上的落地时间是平抛运动中很重要的2个物理量。在水平运动中，水平运动的初速度是可以通过光电门测得时间求得。在竖直运动中，落地的时间可以通过振动传感器直接得到。这样便于学生更好地理解平抛运动的规律。

②效率高。原理简单，计算机处理方法简单，仅需30 s就可以完成计算机处理。

③扩展空间大。如果将发射端的轨道旋转，使初速度改变方向，则可完成斜抛的测量。

④误差小。用传感器测得的实验数据误差较小，轨迹相对准确，适用于探究式或验证式教学。

⑤符合学生认知规律。通过此实验，可知物体做平抛运动时的轨迹是抛物线，再借助平抛运动实验仪进行学生分组实验，学生学得轻松、愉快，课程也可以取得高效而满意的结果［3］。

4 科技教育活动的重要意义

好奇和探求是让学生的大脑“思考起来”的原动力，是使学生活跃的大脑皮层得到永久保持的有效手段。让学生参加科学实验活动能为学生提供扩展其好奇心和建立基础科学理论的机会，还有助于学生日后的学习，使其创新思维升华为创新能力，物化为创造能力，成为名副其实的拔尖人才。

总之，教育是科技发展的基础，少年儿童的素质教育关系到一个国家的综合国力。“少年强则国强，少年富则国富”。开展好科技教育活动，学生的创造性、主动性得到充分发挥，这是提高我国青少年科学素质的重要途径，也是国家提高科技竞争力的重要举措。因此，在中小学应大力开展科学技术教育，此举利在国家，利在社会，功在千秋，势在必行。