关于高中物理实验拓展和优化

贾宛宜

摘  要 隨着物理学研究的逐渐深入，物理实验内容日益丰富，传统物理学习方式已经不再适合学生自身发展需求。如何深入挖掘物理各理论之间的关联，并对实验内容进行拓展，是目前人们关注的焦点。主要以平抛运动为核心，对高中物理实验的设计和优化过程进行探究，旨在实现物理学习的科学拓展。

关键词 平抛运动;实验;高中物理;智能化平抛实验系统;实验装置

中图分类号：G633.7    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）19-0122-03

1 前言

在平抛运动实验中，借助问题探究、实验验证、对比分析等过程进一步挖掘平抛中各项理论之间的关联，对学生物理知识水平的提升和物理能力的培养具有非常积极的意义。尤其是在实验拓展时，可以结合课本中的实验内容进行实验优化，寻找最佳实验路径，以减少不必要的操作，从根本上提升课堂实验效益。

2 平抛运动理论

平抛运动是指物体在只受重力的环境下以一定的初速度水平方向抛出形成的运动。该物体抛出时在垂直方向、水平方向上的运动速度及受力存在明显差异，其垂直初始速度为0，垂直方向受力为mg，而水平方向初始速度为v0，水平方向上受力为0。

在平抛运动学习过程中必须把握好平抛运动的各项理论，对其运动特征进行全面分析。从其运动性质而言，可以将平抛运动看作水平方向匀速直线运动及垂直方向自由落体运动的合运动。计算时依照该运动性质进行分别计算，水平方向直接以匀速直线运动为主，垂直方向上计算自由落体运动数据，并通过平行四边形法则对两者的合运动状况进行分析，以确定平抛运动的轨迹，其具体状况如图1所示。

在水平方向上：初速度为v0，在t秒后位移s=v0t。

在垂直方向上：初速度为0，加速度为g，在t秒后位移s=gt2。

3 对课本平抛运动实验的分析

实验内容  高中物理课本中给出了研究平抛运动的实验，该实验开展的过程中首先对小球的平抛进行设计，通过一个曲线轨道让小球从高处落下后能够水平抛出。曲面末端为水平长直面，保证了小球在从高处落下的过程中能够获得水平方向的初速度。将上述曲面装置放在水平桌面上，末端与桌边重合，下侧形成悬空，就形成了简单的平抛装置。

设置完平抛装置后，在小球下落区域背部放置一张纸板，将小球位置状况在纸板上标注，并在实验结束后将标注的点连成一条曲线，作为小球平抛运动时的运动轨迹。

纸板右侧通过固定架固定一支铅笔，铅笔高度可以自由调整。小球在掉落过程中需要不断调整铅笔的高度，让铅笔笔尖与小球接触，在纸板上绘制出不同高度时小球水平方向上的位置，并以水平位置和垂直位置为基础，确定小球平抛运动中经过的点。

由于球在空中做平抛运动的轨迹是一定的，可以在多次观察小球的运动情况后，将笔尖放在小球下落过程中可能出现的位置处，以减少小球空落的次数，快速找到小球的下落点，其具体状况见图2。

实验存在的问题  课本中给出的实验具有简单、易操作等优势，在开展实验过程中，上述器材非常容易获取，能够人手一套进行实验，给了学生更多的实验空间。但在实际操作过程中，笔者发现通过小球砸笔尖来判断小球运动的位置难度较大，位置获取的准确性较差，很容易出现运动轨迹的误差，具体表现在以下几个方面。

1）运动过程中小球逐渐下落时速度可能过大，打到笔尖上时很容易把笔尖打断，造成实验无法继续下去。为了确保实验能够完成，需要不断削铅笔或准备相同长度的铅笔以确保能够准确定位小球位置，增加了许多不必要的操作，在实际实验过程中费时费力，实验效果并不理想。

2）实验开展过程中通过小球砸笔尖这一方式实现小球的定位很容易出现误差。由于铅笔触碰小球的过程中并不能够确保是由笔尖触碰小球表面上的固定点，可能是小球的前表面，也可能是小球的后表面，甚至小球正中心的下表面，这直接导致小球下落过程中位置确定出现一定的误差。笔者在实际绘制过程中发现，自己绘制的平抛轨迹上部分点的位置与实际位置差异较大，在深入分析后确定这是由于铅笔触碰小球球面的位置不同导致，这种碰触表面位置不同引起的误差直接影响了实验结果的准确性。

3）小球下落过程中非常容易出现落空。为了确保小球能够顺利砸到笔尖，在实验过程中往往需要进行多次实验。如笔者在确定第一个点的过程中就不断通过移动铅笔的位置来找小球与铅笔笔尖接触点，操作难度较大，花费了几分钟对位置进行确定。在该基础上绘制完整的平抛曲线时难度更大，花费的时间非常长，这在一定程度上影响了平抛运动实验研究的成效。

4 平抛运动实验的设计及优化

实验的设计优化  在实验设计过程中受到平抛运动实验中器材的限定，很难快速、准确对平抛位置进行确定，为此需要对实验方案进行优化，借助其他装置对小球下落的位置进行准确定位。笔者在优化过程中借鉴相关教学资料和网络资料，对其进行整理和分析。

1）借助智能化设备开展实验。智能化平抛实验系统（如平抛实验一体化设备、平抛实验模拟平台等）操作精度高，定位较为准确，可以快速、高效地获得所需的数据信息，大大提升平抛运动实验的科学性、有效性和规范性。但设备造价过高，学校往往只有一台或两台，设备数量较少，根本不能满足平抛实验需求，在一定程度上限制了平抛实验的操作空间。

2）对课本中的平抛实验内容进行改进。笔者认为在实验过程中可以对课本中的实验装置进行调整，对操作难度大的环节进行优化，使用其他装置进行替代，以达到相同的实验效果。如将“小球触碰铅笔笔尖”这一环节改为“在一定高度时将小球下落的位置固定”，使用其他装置对笔尖定位装置进行替换，从而减少实验中小球定位的难度，提升实验效益。

①可以通过让小球落到下落槽实现。但这一方法对球形槽的位置需要进行准确定位，操作难度过大。

②让小球落到纸面上，用小球砸到纸面上形成的墨点来确定位置。但上述实验过程中需要不断对下落位置进行分析，还需要不断更换纸张，实际上实验效果并不显著，需要进行调整。

③将纸张换为细砂，用小球落到细砂上面的位置来确定水平位移。选择细砂作为平抛运动实验材料时，首先对原课本实验中左侧部分的装置保持不动，只是将右侧支架改装成平行板支架，在板上放置细砂，通过调整板的高度来确定小球下落的高度，让小球从不同高度落到细砂上。由于细砂阻力较大，小球在落到细砂上后不会产生二次位移，可以准确进行小球水平位移的定位，这就减少了更换纸张的次数，同时提升了小球定位的准确性。该实验中小球砸到细砂上的位置可以作为其水平位置，桌面高度减去固定细砂板铁架的位置后的数值可以作为小球的垂直位移，依照两者的位移状况确定小球的下落点，对小球运动轨迹进行绘制。

笔者在反复多次进行实验后发现：用细砂代替纸张和下落槽这两种方法操作更加简单，而且实验过程中很少出现误差，绘制小球下落的实际运动轨迹与小球理论上的运动轨迹基本一致，具有较强的可操作性。在课堂实验操作过程中可以依照上述内容开展实验，对课本中的装置进行替换，以全面增强平抛实验的实验效果。

实验开展的注意事项

1）实验操作中要不断总结经验，对实验过程中的各项问题进行分析，确定实验中各个环节的具体作用及实验操作之间的关联，准确把握实验要素，以确保平抛实验能够快速完成。高中物理实验课堂并非仅仅依照课本中学习的内容进行模拟操作，尤其是在平抛实验开展的过程中，需要对实验内容进行全面了解，依照自身知识内容和小组之间的讨论交流，对平抛实验装置的可行性进行分析。对存在问题的部分要及时进行优化和调整，充分利用教师提供的各项工具及实验室中的器材，与教师和同学沟通、交流，对平抛实验内容进行完善，形成最佳实验方案。

2）在平抛实验开展过程中需要对平抛运动理念进行全面把握，分析好平抛运动中的各项特性，对水平匀速直线运动和垂直自由落体运动分别进行计算，再通过矢量法则确定合运动的运动状况。尤其是在查找平抛运动过程中小球的下落位置时，必须要对合运动的运动位置具有初步了解，依照课本中学习的理论知识，对平抛运动中的初步位置进行判断，以减少平抛运动实验过程中的位置确认时间。

3）在出现实验误差后要依照平抛运动的性质第一时间判断实验过程中误差的具体状况，是水平方向上的误差，还是垂直方向上的误差？并结合操作内容、实验设备等确定上述误差的主要致因，分析上述误差是否对后续实验造成影响。对必然误差可以适当忽略，但其他误差要及时进行设备或操作的调整、规范，以确保平抛实验能够顺利完成。

5 總结

平抛实验开展过程中要对实验装置进行合理选择，依照实验要求做好实验设计，确定实验操作的要点和难点。尤其是在容易出现误差的环节，要重点把握，不断优化实验过程中的各项内容，对实验系统和装置进行完善，以最大限度减小误差，提升实验的有效性和准确性。要对实验方案进行调整，减少实验花费的时间，从而获得更多的自主探究空间，从根本上提升对平抛运动的认识和把握。

参考文献

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