基于教材实验方案的改进与创新——平抛运动的实验研究

孙 策

(浙江省慈溪市慈中书院,浙江 宁波 315300)

·物理实验·

基于教材实验方案的改进与创新
——平抛运动的实验研究

孙 策

(浙江省慈溪市慈中书院,浙江 宁波 315300)

教材中的实验“研究平抛运动”参考案例2,采用了水平射出的细水柱来显示平抛运动轨迹,既直观简单,又贴近学生生活.但是,把这一案例作为学生分组实验,在实际教学中很少见到.究其原因,这一看起来非常简单的实验,真正实践起来却会遇到了各种各样意想不到的问题.

平抛运动轨迹； 细水柱； 实验改进

1 问题的提出

人教版普通高中课程标准实验教科书《物理·必修2》第5章第3节“实验:研究平抛运动”是高中阶段重要的一个分组实验.它既是对平抛运动理论的巩固和验证,也是一次培养学生实验设计和实验操作能力的机会.该实验有3个实验目的:一是通过实验手段描绘出平抛运动的轨迹,二是根据所绘轨迹探究平抛运动的规律,三是通过平抛运动轨迹求出物体的初速度.可以看出,3个目的都离不开平抛运动轨迹.因此,正确描绘出平抛运动轨迹是本实验的前提,教材中提供了3个参考案例.[1]在实际的教学中以参考案例1(利用钢球做平抛运动描绘轨迹)为最多,基本上每个学校都配备了相关的实验仪器.但该实验最大的问题是不能直接显示出小钢球做平抛运动的轨迹,需要多次描点才能在白纸上间接描绘出小球的平抛运动轨迹.实验时,控制条件较多,记录小球的具体位置时经常会出现较大的误差,实验者需要较高的实验操作技能,才能描绘出较理想的轨迹.参考案例3用数码照相机或数码摄像机记录平抛运动轨迹,虽然精确度较高,但缺点也非常明显:一是很多实验室没配置数码相机;二是实验者需要掌握摄影摄像技术,显然学生不可能都精通;三是自动化的设备不利于学生对实验原理理解和实验操作能力的培养.

李政道也曾经说过:“自己动手做的仪器,永远比买的好”.因此,高中物理实验教学中,实验装置要选择尽量简单,实验原理要简单明了,实验现象要显著直观.这样,通过物理实验,就能很好地帮助学生理解和掌握物理概念、规律,完成从理论到实践的升华.基于以上原因,笔者选择了实验现象更加显著直观的水柱的平抛代替传统的小球平抛,并对实验实施过程中遇到的各种问题进行了分析、改进和创新.

2 实验方案改进

2.1 细水柱发生装置

图1

(1) 实验装置的部件设计与改进.

如图1所示,A管口与大气相通,压强始终等于大气压强.液面下降到A管口前,由于A、B管口高度差不变,可知喷嘴处流出的细水柱是持续稳定的(图1).

图2 止水装置

改进1:为了防止装有适量水的玻璃瓶倒置时,水从直玻璃管下端流出来,可在直玻璃管的末端加接了一段橡胶管并用止水夹夹住(图2).

该装置设计的难点在于喷嘴的选材和连接,教材中只是笼统地提到“玻璃管的水平端加接一段更细的硬管作为喷嘴”.

图3

改进2:用塑座不锈钢点胶针头作为喷嘴,前端为长13 mm的圆柱形不锈钢钝口针头,后端为塑座螺口(图3).点胶针头不但内径小而且规格众多(0.06 mm～1.55mm),通过选择内径合适的点胶针头就能获取较细的细水柱,提高实验的精确度.用500 mL广口瓶装水,经实验发现,当点胶针头的内径小于0.51 mm时,不再喷出细水柱,而是间断地从点胶针头滴出水珠.当点胶针头的内径在0.51 mm～0.84 mm之间时,虽然能喷出细水柱,但细水柱很快就发散了.经实验反复比较,最终确定内径为1.55 mm的点胶针头作为喷嘴,喷出的细水柱能形成一段相对较长又整洁的抛物线.

塑座螺口的内径(5 mm左右)和玻璃管的外径(6 mm左右)很难匹配,再考虑到接口处的密封性,因此塑座螺口不可能直接套在玻璃管上.

改进3: 截取5 mL巴氏滴管的一小段漏斗形塑料管,如图4方框内所示的那一段,把内径小的一端插入塑座螺口,内径大的一端套在水平端玻璃管上(图5).

图4

图5

图6

用电钻在橡胶塞上开两个直径略小于玻璃管外径的小孔,将改进后的玻璃管插入小孔中,再用橡胶塞塞住瓶口,这样就完成了细水柱发生装置的装配.该装置主要有500 mL广口瓶、橡胶塞、两端开口的直玻璃管和L形直角玻璃管、橡胶管、止水夹以及点胶针头等部件组成(图6).

(2) 实验装置的验证与完善.

用该装置做实验时,发现了意料之外的现象,喷出的细水柱在空中不断抖动,非常不稳定.经分析认为,可能是直玻璃管4 mm的内径有点偏大了,导致冒出来的气泡大而且不连续,从而使喷嘴处的压强变得不稳定,喷出的细水柱发生了明显抖动.由此,可以尝试减小进气口的内径,来消除这种细水柱不稳定的现象.

图7

改进4: 在直玻璃管管口加接一段内径为0.5 mm的点胶针头作为进气口,连接方式同上(图7).

采用改进前后两种不同进气口(玻璃管进气口与点胶针头进气口)进行实验比较,图8中能明显观察到点胶针头中出来的气泡更小更连续.再次实验发现,装置中喷出的细水柱非常稳定,如图9所示.

图8 图9

2.2 描点坐标装置

(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10a为背面,b为正面).

图10

图11

(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.

3 实验操作过程

(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

(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

(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

图15 操作步骤

(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).

(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

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 操作步骤

(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

4 结束语

本实验实施过程中,在细节上做了详细的改进和完善,使教材中参考案例2作为学生实验结果更为精确.该实验的优点是够提供直观形象的平抛运动的轨迹,并能方便地把轨迹描绘在坐标纸上.其次在设计实验时充分利用了生活中常见的资源,使实验情景更贴近学生生活,引导学生从生活走向物理,从物理走向生活.该实验还留下了很大的思考空间,比如可以让学生探讨,直玻璃管的进气口在液面以上能不能得到稳定的细水柱;直玻璃管进气口在液面以下为什么会喷出稳定的细水柱;理论上预言装置工作时能喷出稳定的细水柱,但在实验时观察到的却是不断抖动的细水柱,是压强理论出现了问题还是实验器材有缺陷等等.教师可以很自然地利用本实验创设真实的探究情境,引导学生有效开展真实的物理实验探究.通过创造性地设计或者改进已有实验,不但使物理课堂“魔力十足”,更有利于激发学生的创新意识.其次通过教师的身体力行,在潜移默化中增强了学生的动手能力和实践意识.因此,基于教材实验方案的改进与创新,是培养学生物理学科核心素养的一个有效途径.

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)[M].北京:人民教育出版社,2010:13-15.

2017-05-12)