用DIS电磁定位魔板探究平抛运动的教学设计

王佳丽 张轶炳

(宁夏大学物理学院 宁夏 银川 750021)

1 引言

平抛运动是高中物理教学中的重点和难点,是二维运动合成模型建立的典型案例[1]．对平抛运动的研究离不开实验的支撑,在以往的教学中,教师多数使用平抛竖落仪、电磁铁式平抛运动等传统实验仪器作为实验装置,从定性的角度研究平抛运动,虽能给学生带来一定的视觉冲击,但较难获取平抛运动的轨迹,实验的可视性不强,实验误差较大[2]．随着信息技术的发展,现在也出现了很多用传感器研究平抛运动的实验设备．2019年新人教版物理必修2“实验:探究平抛运动的特点”一节中的拓展学习部分介绍了用传感器描绘物体做平抛运动的轨迹的实验装置,但缺少专门针对“研究平抛运动规律”的实验设计与操作指南[3]．教师如果不加以引导,学生仅局限于仪器配套的说明书进行简单操作,从界面显示的图像和数字中直接得到结论,没有对物理原理进行深层理解的过程,难以达到科学探究的目的．另外,面对传感器实验对教学硬件要求高、学生实验操作和数据分析弱化等因素的影响,很多教师在具体的实施中遇到了许多困难[4]．

对平抛运动的理解是研究其他复杂曲线运动的基础．本节课涉及的知识看似简单,实则较难理解,主要体现在对“化曲为直”“逆向思维”等科学思维的建立上．而实验则是连接物理知识与科学思维的桥梁,我们借助DIS电磁定位魔板平抛运动实验仪强大的数据分析功能和图像处理功能完成本节课的探究教学,采用层层递进的问题引导探究．在了解实验设备原理以及操作步骤的基础上,将传感器实验设计成一个探究方案,从观察现象到记录数据、分析现象及数据得出结论,将定性分析与定量分析相结合,运用先前必修1所学直线运动的相关规律探究平抛运动的规律,让学生在动手操作和思考的过程中建立图示、公式模型,培养学生提出问题、分析问题、解决问题的探究能力,促成科学思维的形成．

2 平抛运动四维核心素养及教学流程设计

2.1 平抛运动的四维目标

本节课的探究目标主要从核心素养的4个维度进行考量．物理观念主要是知道抛体运动、平抛运动的概念及产生条件,理解平抛运动水平与竖直方向的速度、位移公式及轨迹方程;科学思维目标为能够建立平抛运动轨迹的直角坐标系模型和公式模型,体会将曲线运动转化为水平、竖直两方向研究的“化曲为直”思想,能用自由落体的关系式逆向推理计算竖直方向分运动加速度的方法;科学探究目标从了解实验设备,设计实验方案、实施并观察实验、记录数据并分析得出结论等方面培养学生动手操作能力及数据分析处理的能力;科学态度与责任为与伙伴交流合作,在实验中体悟科学家做研究的精神．综合以上4个维度,设计如下探究目标.

(1)物理观念

a.能阐述平抛运动的定义,知道平抛运动是以一定的初速度将物体水平抛出的运动,在运动过程中只受重力的作用．

b.建立研究平抛运动的坐标系,能标出质点在各个时刻的速度．

(2)科学思维

a.通过实验,建立二维运动合成的图示和公式表征模型．

b.可以利用已知的直线运动规律来研究复杂的曲线运动,体会“化曲为直”的思想．

c.能通过数据绘制图像,运用逆向思维推断出平抛运动竖直方向做自由落体运动．

(3)科学探究

a.能对提出的问题形成预设性答案,并能确定研究变量．

b.能够在了解DIS实验设备的实验原理基础上,针对提出的探究问题及设备的实验原理设计实验方案．

c.能从观察信号源运动点阵在水平方向均匀分布、竖直方向由密到疏,得出平抛运动在水平方向做匀速直线运动,竖直方向做匀加速直线运动的结论．

d.能够根据Excel导出的数据,设计科学规范的表格．能够通过分析数据归纳出平抛运动在水平和竖直方向的运动规律,并能用物理原理解释结论．

(4)科学态度与责任

a.经历探究平抛运动规律的实验过程让学生感悟物理学的理论是基于实验证据的,在未来科学研究或生活实践中养成基于证据的科学精神．

b.在小组合作学习的过程中,有主动与他人合作解决问题的意愿,勇于向他人分享自己的见解．

2.2 教学过程中达成四维目标的流程设计

本节课的教学流程如图1所示,第一环节为回顾蜡块实验,启发学生用“运动的合成与分解”的方法研究曲线运动,引导学生提出问题,明确实验目的,确定待研究的物理量;考虑到学生对传感器较为陌生,易因为胆怯影响探究效果,因此环节二先让学生熟悉实验仪器及操作步骤,在了解实验设备的基础上设计探究方案;第三环节主要为实施实验、观察现象,设计科学规范的表格记录数据,体会传感器实验操作的便捷,感受科技进步为实验带来的变化;最后基于现象及数据进行分析论证,对水平、竖直方向的运动形式给出理论依据．其中,每一环节的子环节都与探究目标相对应,有效实现学科核心素养的培养．

图1 用DIS电磁定位魔板探究平抛运动的教学流程图

3 利用DIS电磁定位魔板平抛运动演示仪探究平抛运动规律的设计

传感器实验的集成化让实验操作十分简便、快捷．然而,教师若没有采取适当措施进行干预,学生仅根据图像得到结论,易导致学生逻辑分析和数理推理能力不足．因此,在开展探究的过程中,我们采用“层进式”问题串作为探究导航[5],通过10个问题引导学生逐步完成探究子任务,让学生在思考分析的过程中对知识进行深层加工,同时,也协助教师调控课堂节奏、完成过程性评价．

3.1 过程1——提出问题

根据科学探究提出问题能力要求,需要学生根据提供的材料提出研究问题,并能用物理术语阐述问题,找出研究的变量．

(1)几个基本概念的得出

演示实验1：让学生水平抛出一个粉笔头,并在作业纸上画一个轨迹,分析一下粉笔头的受力和初速度方向．

引导：查阅教材内容,关注抛体、轨迹、抛体运动、平抛运动术语,结合实验归纳出物体作平抛运动需要的条件．

问题1：阐述抛体、抛体运动、平抛运动的概念及物体做平抛运动的条件．

设计意图：锻炼学生的观察总结能力,能够结合实验查阅资料给一些简单的物理概念下定义．

(2)二维运动的独立性及二维运动的合成模型建立

回顾蜡块实验.

教师讲解:如图2所示,蜡块的轨迹是由水平运动和竖直运动共同参与的．根据运动的合成与分解的方法在研究蜡块的运动时需要:1)建立坐标系;2)根据轨迹特征分析水平X方向运动和竖直Y方向运动的规律,并写出运动方程;3)根据运动方程推导出轨迹方程．

图2 蜡块的运动图示

问题2：画出蜡块的轨迹图,写出蜡块的X-t方程和Y-t方程,并推出Y-X轨迹方程

图3 蜡块运动研究方法——运动的合成与分解预设图示

(3)提出研究问题,形成假设,找出需要研究的变量

引导：平抛运动是否也可以像蜡块实验一样,用二维运动合成的方法进行研究?

问题3：提出你的研究问题,形成预设答案,需要研究哪些物理量?

设计意图：能从物理学的角度明确地提出探究问题——“平抛运动可以用二维运动的合成的方法进行研究吗?”,并做出假设,确定研究变量即水平运动的运动变量X,竖直方向的运动变量Y及二者的合成,水平运动的速度vX,竖直方向的速度vY,及合速度v．

3.2 过程2——根据问题及预设答案结合研究变量设计实验方案

(1)需要的设备介绍及原理说明

DIS电磁定位魔板平抛运动演示仪如图4所示,其主要由①弹射器、②信号源、③电磁定位魔板、④竖槽、⑤底槽、⑥支撑架及计算机软件构成．

图4 DIS电磁定位魔板平抛运动演示仪(a)与信号源(b)

该装置是一种新型的二维运动实验工具．信号源内的电路板控制有磁芯的线圈产生交变磁场,当信号源在电磁定位魔板附近运动时,魔板内排列的线圈会产生感生电动势．测量电路通过检测感生电动势信号峰值,建立信号峰值与产生该信号峰值线圈的对应关系,系统从水平和垂直方向确定信号源所在位置[6],每隔0.01 s记录一个位置点,通过数据线将所得数据传输至计算机,即可由计算机软件通过内置的算法库和公式库实时描绘出信号源的运动轨迹．

(2)操作步骤

①调节弹射器水平,将信号源放置于合适位置,点击操作界面中的“零点设置”．

②将信号源推至弹射器最里端,点击“开始记录”,按动弹射器上边沿按钮．弹射机匣的弹射杆弹出,推动信号源沿着轨道运动,让信号源从零点飞出后开始运动,并落在接球底槽上,操作界面记录相同时间间隔信号源运动的轨迹点．

③点击“二次拟合”,可以得到一条光滑的曲线,即为平抛运动的轨迹．

④依次点击界面中的“X”“Y”,可得抛物线轨迹在水平、竖直方向上的投影点阵．

⑤点击操作栏中的“加速度”,得平抛运动在水平、竖直方向上的v-t图像．

⑥将所得数据导出到Excel表格中,进行数据分析．

设计意图：本环节改变仅按照说明书操作得到结论的实验模式,介绍探究平抛运动所需要的设备,学生根据操作步骤熟悉流程,对实验仪器及设备原理有基本的了解．

教师提示:抛体运动的轨迹容易获得,需要实验设备得出运动的轨迹,设想如何通过分析轨迹,找出X及Y的运动方程,再通过运动方程推理得出vX,vY及v．

(3)撰写实验方案

问题4：写出你的实验方案.

设计意图：获取平抛运动轨迹．观察实验操作界面水平运动点阵和竖直运动点阵,尝试判断水平和竖直两方向的运动特点,通过Excel作图分析数据,总结平抛运动两方向的运动规律．探究方案的设计是在感官了解实验设备的基础上,将表象的事物转换成语义进行编码,锻炼学生设计实验的能力,促进学生综合能力的提高．

3.3 过程3——实施实验并观察现象记录数据

根据实验设备的基本实验原理和实验方案,实施实验,观察现象并记录数据．

(1)观察现象

引导学生观察实验现象,建立研究平抛运动的坐标系．

问题5：平抛运动的轨迹如图5所示,从图中观察到的是什么曲线,水平轴是什么,竖直轴是什么?看看数据区记录数据的小数位能够精确到几位．思考传感器实验记录数据和图像与传统尺子测量数据、用坐标纸画图的区别,谈谈技术进步对科学实验的意义．

图5 平抛运动轨迹点阵预设图

设计意图：引导学生观察抛物线为Y-X曲线,水平轴是位移X坐标轴,竖直轴是位移Y坐标轴,明确所获取轨迹的坐标元素．通过观察数据的小数位,感受科技进步省去了复杂繁琐的步骤为实验带来的便利性．

(2)记录数据

问题6：根据导出到Excel表格的数据,设计记录数据的规范表格(表1)．

表1 水平位移、竖直位移及时间数据预设记录表(保留小数点后面四位)

设计意图：通过设计表格(表1),锻炼学生设计规范表格的能力,认识到科学收集数据的重要性．

3.4 过程4——分析现象及数据归纳结论

教师提示:回答问题时需基于证据得出结论,并用科学语言进行表达．

(1)由现象得出的结论

问题7：把每个点投影到水平方向和竖直方向,观察图形,得出规律．

设计意图：通过观察到水平方向点阵均匀分布、竖直方向点阵之间的距离规律的增加(图6),推理出平抛运动在水平方向上做匀速直线运动,竖直方向上做加速直线运动,培养学生处理图像的能力．

图6 平抛运动轨迹投影在水平、竖直方向的点阵预设图

引导：点击操作栏中的“加速度”,可以通过直观观察得到加速度的值．

问题8：操作界面加速度一栏的图像(图7)中直线①、②的物理意义是什么?图中A处显示的加速度a是什么加速度?参考重力加速度的值,进行分析．

设计意图：引导学生通过观察图像,发现直线①代表平抛运动水平方向分运动的v-t图像;直线②代表平抛运动竖直方向分运动的v-t图像,A处加速度值是倾斜直线②的斜率,也是竖直方向分运动的加速度,其值与重力加速度相近,可判断平抛运动竖直方向分运动为自由落体运动,这对于理解运动的分解很重要.

图7 平抛运动水平、竖直方向上的v-t预设图像

(2)由数据得出的结论

引导：实验设备可以获得轨迹在相等时间间隔的位置坐标．试根据导出的位置数据,用Excel画图做进一步分析．

问题9：用Excel绘制X-t图像和Y-t图像,并进行拟合,分析图形,能否得到平抛运动在水平和竖直方向的速度规律及位移规律．

X-t图像,如图8所示.

图8 X-t预设图像

Y-t图像,如图9所示.

图9 Y-t预设图像

问题10：设计方案,看能否得出竖直方向为自由落体运动．

图10 预设图像

教师提示:整理实验仪器,小组成员交流讨论实验中获得的发现,分析误差产生的原因．

设计意图：帮助学生养成良好的科学态度与行为习惯,培养学生的交流能力、归纳总结能力．

4 结束语

当前,教育改革正在深化,学生综合素养不断提升,改革的成果也在许多方面逐渐显现出来.

利用传感器实验进行探究式教学时,以问题串的形式将整节课串了起来,辅之以DIS电磁定位魔板平抛运动实验仪为载体,让学生在熟悉实验原理及操作步骤的基础上,设计探究方案,由实验现象、数据、图像进行逻辑推理得出平抛运动的规律,极大地调动了学生的主动性,锻炼了学生的观察能力和分析论证能力,帮助学生实现对知识由浅入深的内化过程,促进学生思维模型的发展,有效提升了学生的物理学科核心素养．